Определение октанового числа расчетным методом
Одним из основных показателей качества автомобильных бензинов является их детонационная стойкость, от которой в наибольшей степени зависит надежность и продолжительность эксплуатации поршневых двигателей. Детонационная стойкость характеризует способность бензина сгорать в двигателе без детонации и оценивается в единицах октанового числа: чем больше октановое число, тем выше детонационная стойкость бензина. На рис. 1.3 представлена развернутая индикаторная диаграмма, т. е. зависимость изменения давления Р в цилиндре двигателя от угла поворота коленчатого вала φпв, при нормальном и детонационном сгорании смеси.
Рис. 1.3. Индикаторная диаграмма:
1 — нормальное сгорание; 2 — детонационное сгорание; ВМТ — верхняя мертвая точка
Рис. 1.4. Установка УИТ-65 для моторного определения октановых чисел бензина: 1 — пульт управления; 2 — аппаратура для измерения детонации; 3 — бак для подогрева всасываемого воздуха; 4 — конденсатор охлаждения; 5 — карбюратор; 6 — ресивер с водяным охлаждением; 7 — одноцилиндровый двигатель
Октановое число — условный показатель антидетонационной стойкости бензина, численно равный процентному содержанию изооктана С8Н18, октановое число которого принято за 100, в его смеси с н-гептаном С7Н16, октановое число которого равно 0, эквивалентной по детонационной стойкости испытываемому бензину. Смеси изооктана и н-гептана различных соотношений будут иметь детонационную стойкость от 0 до 100. Например, октановое число бензина равно 80. Это значит, что данный бензин по детонационной стойкости эквивалентен смеси изооктана и н-гептана, в которой изооктана 80%. Существуют два метода определения октанового числа: моторный и исследовательский. Моторным методом определяют октановое число на установке УИТ-65 (рис. 1.4), позволяющей изменять степень сжатия от 4 до 9, где сравнивают детонационную стойкость исследуемого бензина с эталонными образцами при температуре горючей смеси 150 °С и частоте вращения 900 мин -1 . Исследовательским способом детонационную стойкость определяют при температуре горючей смеси 25-35 °С (смесь не подогревается) и частоте вращения 600 мин -1 . В этом случае в марке бензина присутствует буква «И». Например, АИ-92 — автомобильный бензин с октановым числом по исследовательскому методу не ниже 92.
Так как определение детонационной стойкости по моторному методу проходит в более жестких условиях, то результат будет несколько ниже, чем он был бы получен при определении по исследовательскому методу (табл. 1.2). В обоих случаях после прогрева двигателя постепенно увеличивается степень сжатия до появления детонации определенной стандартной интенсивности, определяемой по шкале указателя детонации.
Производство бензина и его характеристики (часть 2).
Детонационная стойкость и октановое число.
А теперь чуть подробнее остановлюсь на детонационной стойкости и всеми любимом октановом числе. Детонационная стойкость характеризует способность автомобильных и авиационных бензинов противостоять самовоспламенению при сжатии. Высокая детонационная стойкость топлив обеспечивает их нормальное сгорание на всех режимах эксплуатации двигателя. Процесс горения топлива в двигателе носит радикальный характер (вспомним химию и понятие «радикал»). При сжатии рабочей смеси температура и давление повышаются и начинается окисление углеводородов, которое интенсифицируется после воспламенения смеси. Если углеводороды несгоревшей части топлива обладают недостаточной стойкостью к окислению, начинается интенсивное накапливание перекисных соединений, а затем их взрывной распад. При высокой концентрации перекисных соединений происходит тепловой взрыв, который вызывает самовоспламенение топлива. Самовоспламенение части рабочей смеси перед фронтом пламени приводит к взрывному горению оставшейся части топлива, к так называемому детонационному сгоранию. Детонация вызывает перегрев, повышенный износ или даже местные разрушения двигателя и сопровождается резким характерным звуком, падением мощности, увеличением дымности выхлопа. На возникновение детонации оказывает влияние состав применяемого бензина и конструктивные особенности двигателя.
Показателем детонационной стойкости автомобильных и авиационных бензинов является октановое число. Это эмпирическая величина показывающая содержание изооктана (в % объемных) в смеси с н-гептаном, которая по детонационной стойкости эквивалентна топливу, испытуемому в стандартных условиях.
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 следующим образом. 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(C2H5)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.
В лабораторных условиях октановое число автомобильных и авиационных бензинов и их компонентов определяют на одноцилиндровых моторных установках УИТ-85 или УИТ-65. Склонность исследуемого топлива к детонации оценивается сравнением его с эталонным топливом, детонационная стойкость которого известна. Октановое число на установках определяется двумя методами: моторным (по ГОСТ 511—82) и исследовательским (по ГОСТ 8226—82).
Методы отличаются условиями проведения испытаний. Испытания по моторному методу проводят при более напряженном режиме работы одноцилиндровой установки, чем по исследовательскому. Поэтому октановое число, определенное моторным методом, обычно ниже октанового числа, определенного исследовательским методом.
Октановое число, полученное моторным методом в большей степени характеризует детонационную стойкость топлива при эксплуатации автомобиля в условиях повышенного теплового форсированного режима, октановое число, полученное исследовательским методом, больше характеризует бензин при работе на частичных нагрузках в условиях городской езды. Разницу между октановыми числами бензина, определенными двумя методами, называют чувствительностью бензина. Наибольшей чувствительностью (9-12 ед.) отличаются бензины каталитического крекинга и каталитического риформинга, содержащие непредельные ароматические углеводороды. Менее чувствительны (1-2 ед.) к режимам работы двигателя алкилбензин и прямогонные бензины, состоящие из парафиновых и изопарафиновых углеводородов.
Требования к детонационной стойкости бензинов зависят от конструктивных особенностей двигателя, определяющими среди которых являются степень сжатия и диаметр цилиндра.
Детонационная стойкость автомобильных и авиационных бензинов определяется их углеводородным составом. Наибольшей детонационной стойкостью обладают ароматические углеводороды. Самая низкая детонационная стойкость у парафиновых углеводородов нормального строения, причем она уменьшается с увеличением их молекулярной массы. Изопарафины и олефиновые углеводороды обладают более высокими антидетонационными свойствами по сравнению с нормальными парафинами. Увеличение степени разветвленности и снижение молекулярной массы повышает их детонационную стойкость. По детонационной стойкости нафтены превосходят парафиновые углеводороды, но уступают ароматическим углеводородам. Наибольшую чувствительность — разность между октановыми числами по исследовательскому и моторному методам — имеют олефиновые углеводороды. Чувствительность ароматических углеводородов несколько ниже. Для парафиновых углеводородов эта разница очень мала, а высокомолекулярные низкооктановые парафиновые углеводороды имеют отрицательную чувствительность.
Антидетонационные свойства бензинов, получаемых различными технологическими процессами, определяются входящими в их состав углеводородами. Самую низкую детонационную стойкость имеют бензины прямой перегонки, состоящие, в основном, из парафиновых углеводородов нормального строения, причем она снижается с повышением температуры конца кипения. Октановые числа, определяемые по моторному методу, прямогонных фракций, выкипающих до 180 °С, обычно составляют 40—50 ед. Детонационная стойкость фракций с температурой начала кипения 85 °С несколько выше — 65—70 ед. Исключение составляют прямогонные бензины, получаемые из нефтей нафтенового основания (сахалинские, азербайджанские и др.), их октановые числа достигают 71—73 ед.
Для повышения октановых чисел прямогонных бензинов их подвергают каталитическому риформингу.
Октановые числа бензинов каталитического риформинга зависят от жесткости режима процесса. При жестком режиме они достигают ОЧИ — 95-99 (исследовательский метод) и ОЧМ = 86-90 (моторный метод), при мягком режиме соответственно 83—85 и 74—79.
Бензины термических процессов (крекинга, коксования) содержат до 60 % олефиновых углеводородов и по детонационной стойкости превосходят прямогонные бензины: ОЧИ = 68-75, ОЧМ = 62-69. Бензины каталитического крекинга помимо олефиновых углеводородов содержат ароматические и изопарафиновые углеводороды. Их детонационная стойкость выше, чем бензинов, получаемых термическими процессами.
Способы повышения октанового числа.
Повышать детонационную стойкость топлив можно несколькими способами.
Первый способ – использование бензинов каталитического крекинга и риформинга (дорого, надо вкладываться в реконструкцию производственных мощностей).
Второй способ повышения ОЧ заключается в добавлении в базовые бензины высокооктановых компонентов, таких, как изооктан, алкилбензин и др., которые обладают ОЧ по моторному методу около 100 ед. Таких компонентов добавляют в базовый бензин до 40 %, значительно повышая его детонационную стойкость.
Третьим и наиболее простым способом повышения детонационной стойкости топлив является добавление к ним антидетонаторов, т.е. химических соединений, которые при очень незначительной их концентрации в топливе (десятые доли грамма на 1 кг топлива) существенно увеличивают его детонационную стойкость.
Действие антидетонационной присадки основано на замедлении процесса образования гидроперекисей и перекисей и их расщепления.
Соединения свинца
Наиболее эффективными и дешевыми антидетонационными присадками являются органические соединения свинца — тетраэтилсвинец (ТЭС) и тетраметилсвинец, причем первый получил большее распространение. ТЭС представляет собой густую бесцветную и ядовитую жидкость с температурой кипения 200°С. ТЭС хорошо растворяется в углеводородах и плохо в воде. Он ингибирует образование перекисных соединений в топливе, понижая вероятность детонации. Способность ТЭС повышать антидетонационные свойства топлив была открыта в 1921 году, а уже два года спустя ТЭС стали интенсивно производить в промышленности.
ТЭС не применяют в чистом виде, поскольку образующийся металлический свинец осаждается на стенках цилиндров двигателя, что приводит к отказу последнего. По этой причине в смеси с ТЭС вводят так называемые выносители, которые образуют с металлическим свинцом летучие соединения. Выносители обычно представляют собой хлор- или бромсодержащие соединения. Смесь ТЭС и выносителя называют этиловой жидкостью, а бензин, содержащий добавки этиловой жидкости, — этилированным.
Этиловая жидкость очень эффективна в повышении антидетонационных свойств топлив. Добавка долей процента этиловой жидкости в бензин позволяет увеличить его октановое число на 5—10 пунктов. Самая эффективная концентрация ТЭС составляет 0,5—0,8 г на 1 кг бензина. Более высокие концентрации ведут к повышению токсичности топлива, тогда как детонационная стойкость возрастает незначительно. С ростом содержания ТЭС также может снижаться надежность работы двигателя из-за накопления свинца камере сгорания. Если в топливе содержится сера, то эффективность ТЭС резко снижается, поскольку образующийся сернистый свинец препятствует разложению перекисей. При хранении этилированных бензинов их детонационная стойкость уменьшается в результате разложения ТЭС. Этот процесс ускоряется при наличии в топливе воды, осадков, смол, хранении при повышенной температуре и др. Кроме того, ТЭС повышает токсичность, меняет температуру сгорания топлива, что приводит к закоксовыванию поршневых колец, клапанов и отложениям на стенках цилиндров.
Антидетонаторы на основе ТЭС в Российской Федерации запрещены ГОСТ Р 51105-97, который регламентирует производство только неэтилированных бензинов. В Европе и других развитых стран от ТЭС также отказались с введением норм Euro 2.
Соединения марганца
В качестве антидетонационных присадок эффективны два соединения на основе марганца: циклопентадиенилтрикарбонилмарганец (ЦТМ) C5H5Mn(CO)3 и метилциклопентадиенилтрикарбонилмарганец (МЦТМ) СH3C5H4Mn(CO)3. Первый представляет собой кристаллический порошок желтого цвета, второй — прозрачную маловязкую жидкость янтарного цвета с травянистым запахом, температурой кипения 233°С, плотностью 1,3884 г/см3 и температурой застывания 1,5°С. МЦТМ хорошо растворим в бензине и практически нерастворим в воде.
Оба эти соединения мало отличаются по эксплуатационным свойствам и имеют примерно одинаковую эффективность. В пересчете на общее количество присадок марганцевые соединения не отличаются по эффективности от ТЭС, однако в пересчете на содержание металла они эффективнее. При этом токсичность марганцевых присадок в 300 раз ниже. Их недостатком, однако, является разложение на свету, что ведет к потере антидетонационных свойств. Несмотря на высокую эффективность их применение ограничено требованиями экологичности.
Соединения железа
В качестве антидетонаторов представляют интерес пентакарбонил железа, диизобутиленовый комплекс пентакарбонила железа и ферроцен. Эффективность пентакарбонила железа Fe(CO)5 была обнаружена в 1924 году. Он представляет собой светло-желтую жидкость с характерным запахом (плотность 1,457 г/см3, температура кипения 102,2°С, температура плавления 20°С). Его применяли в 1930-е годы в Германии в концентрации 2-2,5 мл/кг. Затем, однако, его использование было прекращено ввиду того, что при его сгорании образовывались оксиды железа, нарушавшие работу свечей зажигания. При этом увеличивался износ стенок цилиндра двигателя. Прирост октанового числа в случае Fe(CO)5 на 15-20% ниже, чем при использовании этиловой жидкости. Его недостатком также является склонность к быстрому разложению на свету до нерастворимого карбонила Fe(CO)9.
Диизобутиленовый комплекс пентакарбонила железа [Fe(CO)5]3[C8H16]5 представляет собой жидкость с плотностью 0,955 г/см3 и температурой кипения 27-32°С, хорошо растворимую в бензине. По антидетонационной стойкости он близок пентакарбонилу железа.
Ферроцен (С5H5)2Fe — это легковоспламеняющийся кристаллический порошок оранжевого цвета (температура плавления 174°С, кипения 249°С, разложения 474°С). Он полностью растворим в бензине и обладает большей антидетонационной стойкостью, чем другие соединения железа. Ферроцен и его производные можно использовать в составе бензинов всех марок при концентрации железа не более 37 мг/мл. Железосодержащие присадки способны увеличить октановое число на 3—6 единиц. Концентрацию ферроцена ограничивают по двум причинам. Во-первых, из-за образования окислов железа, которые остаются в виде нагара на частях двигателя образуя «ржавый» нагар в цилиндрах, способствуют выходу из строя свечей, а также накапливаются в масле. Во-вторых, из-за повышения склонности бензина к смолообразованию.
Соединения азота
Анилин С6H5NH2 представляет собой бесцветную маслянистую жидкость с температурой кипения 184°С и температурой плавления -6°С. Анилин является ядовитым соединением и обладает ограниченной растворимостью в бензине. На воздухе он окисляется и темнеет. При низких температурах смеси анилина с бензином подвержены расслоению, поэтому в чистом виде анилин как антидетонатор не применяется.
Ароматические амины обладают высоким антидетонационным эффектом, но к применению допущен только монометиланилин (N-метиланилин) — С6H5NHCH3. Он представляет собой маслянистую жидкость желтого цвета с плотностью 0,98 г/см3, растворимую в бензинах, спиртах и эфирах. Октановое число по исследовательскому методу 280-350. Однако ароматические амины обладают существенным недостатком — они склонны к смолообразованию и влекут увеличение износа деталей двигателя.
Независимо от химической природы антидетонатора его концентрация в топливе по той или иной причине ограничена, что ведет к ограниченному приросту октанового числа. Кроме того, прирост октанового числа нелинейно зависит от концентрации добавки и для каждого антидетонатора существует максимальная концентрация, выше которой он уже не проявляет дополнительного эффекта.
Как мы видим у всех антидетонаторов есть "красивые" побочные действия и от их применения на большинстве солидных НПЗ пытаются уйти.
Так же стоит упомянуть средство, которым часто пользуются нечистые на руку владельцы АЗС.
Нафталин. Это средство от моли повышает октановое число на 5—6 единиц. Образует значительное количество нагара в топливной системе и кристаллизуется, забивая шланги, бензонасос и форсунки инжектора.
Соединения бензола. Часто для придания бензину «марки» используют бензол, толуол и другие ароматические углеводороды. Эти соединения, с октановым числом выше 100, намного дешевле ТЭС, да и приобрести их проще, чем тот же нафталин.
Ацетон. Совсем нехитрый способ поднять октановое число до требуемого стандартом уровня. Считается, что смесь ацетона с бензином вызывает коррозию металла, разъедает сальники и прокладки.
Но вернемся к законным методам. Одно из направлений расширения производства высокооктановых неэтилированных бензинов – применение кислородсодержащих компонентов (оксигенатов). К ним относятся спирты, эфиры и их смеси. Добавление оксигенатов повышает детонационную стойкость, особенно легких фракций, благодаря присутствию кислорода в своем составе улучшают полноту сгорания бензина, снижают расход топлива и уменьшает токсичность выхлопных газов. Рекомендуемая концентрация оксигенатов в бензинах составляет 3–15% и выбирается с таким расчетом, чтобы содержание кислорода в топливе не превышало 2,7%. Установлено, что такое количество оксигенатов, несмотря на их более низкую по сравнению с бензином теплотворную способность, не оказывает отрицательного влияния на мощностные характеристики двигателей.
Среди оксигенатов наиболее перспективным компонентом считается метилтретбутиловый эфир (МТБЭ). В России разрешено производство и применение автобензинов с содержанием МТБЭ до 15%. Ограничение установлено из-за относительно низкой теплоты сгорания и высокой агрессивности по отношению к резинам. Дорожные испытания показали, что неэтилированные бензины с 7…8 % МТБЭ при всех скоростях движения превосходят товарные бензины. МТБЭ – бесцветная, прозрачная жидкость с резким запахом. Температура кипения 48…55°С, плотность – 740…750 кг/м3, октановое число по исследовательскому методу 115…135.
Среди других эфиров в качестве компонентов к автомобильному бензину рассматриваются: этилтретбутиловый эфир (ЭТБЭ), третамилметиловый эфир (ТАМЭ), простые метиловые эфиры, полученные из олефинов С6-С7.
Добавление 7—11% метил-трет-бутилового эфира (МТБЭ) в бензины делает из 92 бензина 95. Атомы кислорода в МТБЭ и в его смеси с трет-бутиловым спиртом улучшают процесс сгорания топлива, повышая экономичность двигателя. Бензины АИ-98 обычно получают с добавлением кислородсодержащих компонентов: метилтретбутилового эфира (МТБЭ) или его смеси с третбутиловым спиртом (ТБС), получившей название Фэтерол — торговое название «Октан-115». Недостаток всех этих компонентов заключается в том, что в жаркую погоду в полупустом баке эфир из бензина улетучивается, что вызывает уменьшение октанового числа бензина.
Среди спиртов: метиловый, этиловый, изопропиловый спирт, вторичный бутиловый спирт (ВБС) и третбутиловый спирт (ТБС). У этанола октановое число около 110 (у метанола под 120-130), но теплотворная способность меньше чем у бензина, поэтому "ехать" машина будет похуже, но и детонации не будет. Единственное стоит помнить, что метанол это яд. Добавка в бензин Аи-92 10% этилового спирта позволяет повысить октановое число до 95 единиц, а также несколько снизить токсичность выхлопных газов. Однако использование спиртов приводит к значительному росту давления насыщенных паров, что может стать причиной образования паровых пробок в трубопроводах топливной системы. Помимо этого, проблемой является гигроскопичность (поглощение влаги из воздуха). Добавлю только что зимой на повышение давление паров можно не обращать внимание. Если есть доступ к изопропиловому спирту или еще каким спиртовым изомерам, то это вообще золотая жила. У изомеров октановое число еще выше, добавление где-то 1% изопропилового спирта это +1 к ОЧ итогового бензина. Добавив 5-10% к 95-му можно получить как минимум бензин с ОЧ 98.
Эксперименты с изобутиловым спиртом проводил один из драйвовчан — скаутоводов.
Весьма эффективным средством подавления детонации является вода, впрыскиваемая во впускную систему двигателя. Однако вода – не антидетонатор. Попадая в камеры сгорания двигателя она испаряется, пар нагревается за счет тепла, выделившегося при сгорании топлива. В результате температура в камере сгорания снижается и детали ЦПГ охлаждаются. Вследствие этого уменьшается скорость окислительных реакций, предшествующих детонации, и предотвращается возможность детонационного горения рабочей смеси. Экспериментально доказано, что впрыск воды в камеры сгорания снижает требования двигателя к антидетонационным свойствам бензинов на 7-10 единиц. Но промышленных, читай серийных систем подачи воды, я не встречал. Есть вариант мелкодисперсной эмульсии в бензине, такие эксперименты проводили в Германии, но в серию это пока тоже не пошло.
Теплота сгорания. Этот показатель во многом определяет мощностные и экономические показатели работы двигателя. Чем выше теплота сгорания, тем меньше удельный расход топлива, либо при том же расходе вам будет казаться, что мощность вашего автомобиля повысилась, т.к. при горении выделиться больше энергии. Теплота сгорания зависит от углеводородного состава бензинов, а для различных углеводородов она, в свою очередь, определяется соотношением углерод: водород. Чем выше это соотношение, тем ниже теплота сгорания. Наибольшей теплотой сгорания обладают парафиновые углеводороды и соответственно бензины прямой перегонки и алкил бензин, наименьшей — ароматические углеводороды и содержащие их бензины каталитического риформинга. Теплота сгорания экспериментально определяется калориметрически.
Теперь, когда мы выяснили что же такое октановое число и теплота сгорания простой пример для особо настойчивых.
Как видно из таблицы октановое число никак не связано с мощностными характеристиками и в частности с теплотой сгорания. Даже если вы зальете в свой авто бензин с ОЧ 120 или более ничего не произойдет, ваше скромное средство передвижения не превратиться в спортивный болид. Если у вас форсированный двигатель вам нужно высокооктановое топливо для стабильной работы и тогда вы получаете бОльшую мощность, но никак не наоборот. Просьба не путать причинно-следственные связи.
Октановое число
Что такое октановое число бензина и как оно влияет на работу двигателя? Что значат обозначения: АИ-92, АИ-95, АИ-98? Какой бензин можно заливать в машину и к чему это может привести? В статье вы найдете простые ответы на сложные вопросы.
Что означает октановое число
Октановое число обозначает устойчивость топлива к самопроизвольному возгоранию (детонации). Чем больше октановое число, тем тем выше детонационная устойчивость, и чем меньше октановое число, тем ниже детонационная устойчивость бензина.
Высокое октановое число говорит о том, что топливо может выдерживать большее сжатие до наступления процесса детонации. Низкое октановое число свидетельствует о небольшой способности топлива к сжатию до наступления детонации.
Октановое число в маркировке бензина
Автомобильный бензин маркируется буквой «А», в отличие от авиационного, который имеет обозначение «Б». Буква «И» обозначает октановое число, которое получается лабораторным исследовательским методом.
Бензин маркируется в лабораториях, где испытуемая смесь сравнивается с эталонным образцом. Бензин, в составе которого находится 95% изооктана и 5% гептана, получает маркировку АИ-95. Цифра 95 говорит о процентном содержании устойчивого изооктана в составе бензина.
Бензин различных марок (АИ-92, АИ-95, АИ-98, экстра-, евро-) имеет не только разное октановое число, но и отличается особенностями производства, наличием антидетонационных присадок и различных добавок.
Как связаны октановое число, изооктан и гептан
Бензин в основном состоит из смеси двух углеводородов: изооктана и гептана. В качестве эталона для сравнения различных видов бензина между собой были определены два вещества: изооктан с детонационной стойкостью «100» и гептан, с детонационной стойкостью «0».
Изооктан не детонирует при максимальном сжатии, возникающем в стандартных бензиновых двигателях. Чистый изооктан без примесей можно считать бензином с октановым числом 100. Гептан детонирует при минимальном сжатии, поэтому имеет октановое число «0».
Поскольку бензин является смесью этих веществ, то его детонация будет напрямую зависеть от количества изооктана и гептана.
Октановое число бензина характеризует количественное соотношение изооктана к гептану. С практической точки зрения октановое число несет информацию о составе и качестве бензина, его эксплуатационных характеристиках, устойчивости к детонации, запасе хода, развиваемой мощности двигателя.
От чего зависит октановое число
Октановое число бензина напрямую зависит от его состава. Топливо на основе бензина — это смесь большого количества компонентов, которые добавляют к чистому бензину для улучшения его свойств. Очищенный бензин, получаемый из сырой нефти, имеет низкую устойчивость к детонации (40-60 единиц).
Самую маленькую детонационную устойчивость имеют линейные углеводороды. Для них характерно маленькое октановое число. Циклические углеводороды и углеводороды с разветвленным строением имеют высокое октановое число и высокую детонационную устойчивость.
Для повышения устойчивости топлива к воспламенению используют специализированные добавки и промышленные способы переработки нефти (риформинг и крекинг), позволяющие уменьшить долю углеводородов с линейным строением и увеличить долю разветвленных и циклических углеводородов в составе бензина.
Что такое детонация
Детонация в двигателе внутреннего сгорания представляет собой неконтролируемое самопроизвольное воспламенение топлива.
При стандартной нормальной работе бензинового двигателя происходит плавное сгорание топлива. Искра в цилиндре от свечи зажигания появляется во время нахождения поршня в крайней верхней мертвой точке. При детонации сгорание топлива происходит во время сжатия, что ведет к противодействию хода поршня, резко возрастает давление и температура, возникает взрыв топлива.
Пагубность детонации для двигателя
При обычном плавном сгорании топлива в цилиндре фронт пламени движется со скоростью 20-40 м/с, что позволяет бензину сгореть полностью. При детонации скорость фронта пламени возрастает до 2000 м/с, что подобно взрыву.
Гиперзвуковые ударные волны сдирают масляную пленку на стенках гильз, что увеличивает износ поршневых колец и цилиндров, двигатель перегревается.
Детонация выражается в появлении характерных металлических стуков (удары взрывной волны о стенки цилиндров в двигателе), перегреве и потере мощности двигателя. Детонация ведет к закоксовке камер сгорания и быстрому износу двигателя из-за нарушенной работы механизмов. Это крайне негативное и опасное явление, которое лучше избегать.
Причины возникновения детонации
Детонация может возникнуть при использовании бензина с более низким октановым числом, чем рекомендованным производителем двигателя, например, использование 80-го бензина для двигателя, рассчитанного на 95-й бензин.
А также при использовании некачественного бензина с легкоиспаряемыми компонентами. В такой бензин в качестве присадок могут добавлять метан или пропан, которые очень быстро испаряются, тем самым уменьшают октановое число бензина.
Различные вещества имеют свою собственную устойчивость к детонации, одни более устойчивы, другие — менее. Так, гептан неусточив к возгоранию, а изооктан — устойчив. Поэтому более устойчивый к детонации бензин содержит небольшое количество гептана и большое количество изооктана.
Как определить октановое число
Есть несколько способов определения октанового числа бензина: лабораторные методы и самостоятельное определение.
Определение октанового числа лабораторными методами
Октановое число достаточно точно можно определить только лабораторными методами:
- моторным, при котором используют специальный одноцилиндровый двигатель внутреннего сгорания, позволяющий изменять степень сжатия топлива в режиме реального времени. Метод должен соответствовать ГОСТу 511/82 и условно имитирует эксплуатацию двигателя на трассе.
- Исследовательским, при котором исследуют опытный образец топлива в сравнении с эталонным. Метод должен соответствовать ГОСТу 8226 и условно характеризует использование двигателя в городских условиях.
Эти два лабораторных метода дают два разных значения октанового числа для одной и той же пробы топлива.
В России принято учитывать значение октанового числа, полученное с помощью исследовательского метода. В США — берут среднее арифметическое от двух показателей. В разных странах принята своя система обозначения октанового числа бензина, что нужно учитывать, отправляясь на своей машине за границу.
Определение октанового числа самостоятельно
Октановое число можно определить с помощью специального прибора — октанометра, который дает очень примерное показание с большой погрешностью (в 5-10 единиц). Его можно приобрести в свободной продаже, но точного ответа на вопрос об октановом числе бензина он не даст.
Принцип действия октанометра основан на измерении диэлектрической проницаемости бензина и расчету октанового числа по калибровочной зависимости. Поэтому, можно сказать, что октанометр измеряет не октановое число, а импеданскую электропроводность бензина, которая зависит от количества высооктановых углеводородов.
Проще сказать, что измерить точно октановое число бензина самостоятельно невозможно.
Наиболее поплярные октанометры: ОКТИС, ОКТАНОМЕТР ПЭ-7300М, ОКТАН-ИМ, Digatron, SHATOX SX-100M.
Максимальное октановое число
Теоретически (и практически) возможно получение бензина с октановым числом 130-140 при добавлении присадок на основе металлоорганики (тетраэтилсвинца, ферроцена и других). По экологическим причинам использование металлорганических присадок запрещено.
Максимальное октановое число, которое может иметь автомобильный бензин без использования тетраэтилсвинца (неэтилированный бензин) — 109. Максимальное октановое число авиационного бензина — 115.
Для современных автомобилей выпускается бензин с октановым числом 92, 95 и 98. Для гоночных машин производится высокооктановый бензин со значением — 102.
Сгорание бензина с различным октановым числом
Скорость сгорания топлива напрямую зависит от октанового числа. При нормальной работе двигателя бензин внутри цилиндров должен мягко постепенно сгорать, а не взрываться. При таком режиме сгорания двигатель работает плавно и равномерно.
При использовании низкооктанового бензина, степень сжатия в цилиндре превосходит максимальное значение и топливная смесь самопроизвольно воспламеняется, т. е. детонирует раньше, чем свеча зажигания успевает подать искру.
При использовании высооктанового бензина степень сжатия топливной смеси в цилиндре не достигает требуемого значения, при котором происходит равномерное сжигание топлива. Бензин при этом будет гореть слишком медленно и не успеет сгореть до конца.
Как влияет на двигатель бензин с более низким октановым числом
Если по какой-то причине заправить автомобиль бензином, имеющим октановое число ниже, чем рекомендовано производителем двигателя (например, использовать Аи-92 вместо АИ-98), это не приведет ни к чему хорошему для двигателя.
При работе на низкоктановом бензине в цилиндрах возникает детонация, то есть самовоспламенение, раньше, чем искра свечи зажигания подожжет топливную смесь.
Через некоторое время эксплуатации машины возникнут посторонние звуки, идущие из мотора, снизится его мощность, увеличится расход бензина. Повысится температура двигателя, которая увеличит температуру в выхлопном катализаторе, что приведет к снижению его прочности.
В такой ситуации во время движения важно не допускать увеличения оборотов двигателя; на ближайшей заправке надо заправиться нужной маркой бензина.
Иногда низкооктановый бензин заливают в попытке съэкономить деньги, так как современные автомобили оснащены системами, позволяющими справится с таким топливом. Но, к сожалению, увеличенный расход топлива сводит на нет такой эксперимент. Экономии не получится, а нагрузка на двигатель увеличится.
Как влияет на двигатель бензин с более высоким октановым числом
Вопреки распространенному мнению, что бензин с более высоким октановым числом является более качественным и поэтому всегда лучше, это не так. Если залить в машину бензин с октановым числом выше рекомендуемого (например, залить АИ-98 вместо И-92), это также не несет ничего хорошего для двигателя.
Работа мотора на таком бензине также ведет к увеличению расхода топлива, снижению мощности, образованию нагара на свечах, поршнях и клапанах.
Использование высокооктанового бензина подразумевает большую степень его сжатия в цилиндрах для нормального процесса горения смеси. В двигателе, который не рассчитан на такое сжатие, происходит слишком медленное горение топлива. Бензин не будет успевать сгореть до конца.
Что далее приведет к перегреву выпускных клапанов. Если они прогорят, то потребуется капитальный ремонт двигателя, который займет много времени и денег.
Чтобы избежать негативных последствий езды на бензине с октановым числом, выше или ниже рекомендованного значения, лучше всего использовать бензин, подходящий именно для вашего двигателя.
Основной вывод о влиянии октанового числа бензина на расход топлива можно выразить так:
- если октановое число ниже требуемого, то расход топлива увеличится;
- если выше — то останется без изменений.
Способы повышения октанового числа
В настоящее время существует два способа увеличения октанового числа бензина
- изменение технологического процесса получения бензина во время перегонки нефти. Так, использование катализаторов на основе рения позволяет добиться увеличения количества разветвленных и циклических высокооктановых углеводородов.
- добавление металлоганических присадок (тетраэтилсвинца), присадок на основе спирта, эфира, ароматических углеводородов. Присадки позволяют повысить октановое число на 10-12 единиц и практически не влияют на экологию.
Значительным минусом бензина с присадками является его неустойчивость: присадки обладают высокой летучестью и быстро испаряются. При длительном хранении такой бензин теряет свои качества. Также высокая испаряемость некоторых добавок может привести к образованию воздушных пробок в топливной системе автомобиля. Самой безопасной присадкой является метилтретбутиловый эфир.
Добавление тетраэтилсвинца сейчас запрещено из-за его токсичности, хотя ранее он использовался в топливной промышленности.
Как повысить октановое число самостоятельно
В результате прямой перегонки нефти получается бензин с октановым числом, не превышающим 60 единиц. Для современных автомобильных двигателей такой бензин не подходит, поэтому в топливной промышленности применяют другие методы переработки нефти: риформинг, термический и каталитический крекинг, позволяющие достичь оптимального октанового числа бензина.
Сейчас бензин топливных марок АИ-76 и АИ-80 практически нигде не реализуется. Но если возникает ситуация, когда октановое число надо увеличить (например Аи-92 надо увеличить до АИ-98), сделать это можно самостоятельно, добавив к нему специальные добавки: присадки универсального типа и октан-корректоры. Присадки-антидетонаторы состоят из эфиров и спиртов и имеют октановое число 115-120 единиц.
Наиболее популярные добавки для увеличения октанового числа:
- Octane Plus Hi Gear – на 5-6 единиц;
- Octane Plus Liqui Moly – на 2–5 единиц;
- Astrohim Октан Плюс – на 3–5 единиц;
- Lavr Next Octane Plus – до 5-6 единиц;
- Тотек УМТ (российского производства).
При самостоятельном использовании добавок бензину следует помнить, что они влияют не только на устойчивость топливной смеси к детонации, но и на другие технические характеристики бензина и работу двигателя.
Как понизить октановое число
В противоположной ситуации, когда требуется снизить октановое число, есть способы, позволяющие это сделать.
- Самый легкий метод — естественное испарение летучих высооктановых добавок. Надо открыть емкость с топливом и подождать. Снижение октанового числа происходит с ориентировочной скоростью 0,5 единиц в день.
- Добавление керосина. Более быстрый, но сложный метод, так как трудно рассчитать нужную пропорцию керосина, чтобы октановое число не снизилось слишком сильно.
Современные методы переработки нефти позволяют получать высокооктановое топливо без добавления токсичных химических веществ, загрязняющих природу. Следует помнить, что высокооктановый бензин — это не всегда хорошо. Топливо не должно наносить вред двигателю автомобиля, поэтому лучше использовать бензин, рекомендованный производителем конкретной марки машины.
Октановое число. Опровержение мифов
Несмотря на активную пропаганду альтернативных источников энергии, человечество продолжает потреблять автомобильный бензин с завидным аппетитом — в объёмах порядка миллиарда тонн в год. При этом горючее, заливаемое в бак автомобиля, должно соответствовать определённым требованиям качества. В противном случае двигатель не сможет продемонстрировать все свои возможности, а то и вовсе будет выведен из строя. Но что подразумевается под словами «качество бензина»? Раскрыв любой официальный документ, содержащий технические требования к качеству бензина, мы обнаружим таблицу с целым комплексом нормативов по более чем десятку параметров — испаряемости, плотности, окисляемости, содержанию различных компонентов, примесей и т. д. Причём требования эти большей частью совершенно идентичны для разных марок бензина. Иными словами, бензин, независимо от марки, должен быть чистым, прозрачным, обеспечивать лёгкость запуска мотора, не создавать в линиях подачи паровых пробок, не содержать откровенной отравы и давать в меру токсичный выхлоп. И лишь взгляд на верхнюю строку таблицы расставляет всё по местам.
Итак, основной показатель качества бензина, определяющий его марку (а попутно и ценовую категорию), — детонационная стойкость: способность воспламеняться и сгорать в цилиндрах двигателя без нежелательных взрывных процессов. Конечно, детонационное сгорание бензовоздушной смеси не способно разрушить двигатель наподобие тротиловой шашки. Но следует знать, что вместо положенных 20—40 м/с фронт пламени при детонации распространяется со скоростью 2000—2500 м/с, что сравнимо с классической взрывчаткой! Переход к столь ненормальному режиму сгорания обусловливается интенсификацией процессов предпламенного окисления паров бензина с образованием нестабильных органических перекисей, накопление которых выше определённого предела при некоторых условиях заканчивается самовоспламенением и взрывом. Вот тогда-то и начинаются самые действующие на нервы «звенящие» постукивания, последствия которых достаточно печальны — возникающие в двигателе гиперзвуковые ударные волны способны сдирать масляную плёнку со стенок гильзы, увеличивая износ цилиндра и поршневых колец. Повышается дымность выхлопа, возникает перегрев мотора и снижается его мощность, происходят местные разрушения камеры сгорания и поверхности поршня. Потому только детонационная стойкость — важнейшая характеристика бензина — при равенстве прочих параметров даёт ответ, можно ли заливать его в бак конкретной машины.
Спровоцировать детонацию может многое: неоправданное увеличение частоты оборотов двигателя, неправильный состав смеси, неверно отрегулированный угол опережения зажигания и т. д. Но всё это не относится к качеству бензина, да и мотор современного автомобиля спроектирован так, чтобы не создавать проблем на ровном месте. Основная же причина детонации — несоответствие детонационной стойкости бензина степени сжатия двигателя, то есть соотношению свободных объёмов его цилиндров в нижней и верхней мёртвых точках. Чем выше степень сжатия, тем эффективнее работает двигатель, тем бoльшую мощность можно получить с единицы объёма цилиндра. Поэтому степень сжатия у современных двигателей достаточно высокая. Но чем она выше, тем сильнее детонирует бензин!
Долгое время детонация была главным фактором, сдерживающим развитие бензиновых двигателей. И именно появление бензинов, устойчивых к детонации, способствовало стремительному рывку в области авиа- и автомобилестроения, фактически преобразившему мир. Располагая в середине 20-х годов ХХ века лишь тихоходными фанерными аэропланами и грузовиками-«полуторками», во Вторую мировую войну человечество вступило уже со скоростными цельнометаллическими самолётами, самоходной бронированной техникой и полностью обновлённым автопарком. И достигнут этот беспрецедентный рывок во многом благодаря успехам в борьбе с детонацией бензина, мерой устойчивости к которой является октановое число, с которым связано столько мифов.
Миф первый: октановое число характеризует содержание октана — наиболее ценного компонента бензина.
Самое нелепое заблуждение. Да, октан (нормальный насыщенный углеводород с брутто-формулой С8Н18) в небольших количествах и впрямь может присутствовать в бензине. Но боже упаси добавлять его туда специально! Вопреки распространённому мнению октановое число чистого октана умопомрачительно низко — оно даже ниже, чем у эталонного «антибустера»* гептана, чье октановое число принято за ноль! То есть чем меньше октана в бензине, тем лучше. Но почему тогда число — октановое?
Напомним, что данный показатель отвечает не за состав, а за детонационную стойкость топлива. И называть его, по большому счёту, следовало бы не октановым, а изооктановым — ведь именно изооктан (по химической номенклатуре — 2,2,4-триметилпентан) принят в качестве эталона шкалы детонационной стойкости с номиналом в 100 пунктов. То есть если бензин детонирует так же, как смесь из 92 частей изооктана и 8 частей гептана, то говорят, что его октановое число равно 92. При этом самого изооктана в бензине может не быть. А уж октану там и вовсе делать нечего.
Миф второй: высокооктановый бензин горит быстрее и жарче, за счёт чего двигатель развивает бoльшую мощность.
Это не так. Напротив, высокооктановые бензины воспламеняются медленнее, чем низкооктановые, причём настолько, что в старых двигателях с небольшой степенью сжатия их применение вызывает прогар выпускных клапанов с проскоком пламени в глушитель. Так что не рассчитывайте поднять мощность мотора, заливая в бак бензин с избыточным октановым числом. Ничего хорошего из этого не выйдет. Кстати, именно по причине замедленного воспламенения высокооктановые бензины нормально сгорают в мощных двигателях с высокой степенью сжатия, в чём, собственно, и заключается их главная прелесть. Теплотворная же способность литра бензина больше зависит от его плотности.
Миф третий: октановое число не может быть больше 100.
Ещё как может! Чтобы правильно воспринять это странное заявление, поговорим немного о химии углеводородов — класса органических соединений, чьи молекулы состоят исключительно из атомов углерода и водорода. А бензин состоит именно из них.
Благодаря наличию у атомов углерода четырёхвалентных связей и их способности выстраивать цепочки соединения с участием этого элемента отличаются потрясающим разнообразием. То же касается и углеводородов — в них цепь атомов углерода может вытягиваться в линию, ветвиться, замыкаться в различного рода циклы. Добавим сюда возможность образовывать кратные связи, и станет понятно, что число возможных комбинаций атомов углерода и водорода практически неисчерпаемо. К счастью, состав бензина не настолько сложен — количество атомов углерода в содержащихся в нём углеводородах обычно не превышает десяти. Впрочем, и это даёт нам в итоге сотни и даже тысячи компонентов.
Так вот, выяснилось, что наиболее склонны к детонации углеводороды линейного строения (у химиков они именуются «нормальными»), которых традиционно много как в природном сырье, так и в прямогонных бензинах. Чем длиннее цепочка, тем ниже октановое число. Углеводороды, имеющие разветвлённое строение (они именуются изомерными), сопротивляются детонации гораздо лучше — неспроста эталоном детонационной стойкости признан упомянутый нами изооктан (по сути дела, пентан с тремя боковыми «отростками»). А что может быть лучше эталона?
Лучше оказались углеводороды с приятным названием «ароматические» (хотя пахнут они отнюдь не духами), имеющие в составе молекулы особый шестичленный цикл — бензольное кольцо. К ним относятся собственно бензол, а также его производные — метилбензол (толуол), этилбензол, диметилбензолы (ксилолы) и триметилбензолы (мезитилен, псевдокумол). Их октановые числа превышают 100. А ещё существуют особые присадки, также способные поднять октановое число бензина выше заветной сотни.
Чтобы идти в ногу со временем, нефтепереработчики создали сначала крекинг-процесс (увеличивающий выход бензина и его октановое число за счёт расщепления тяжёлых и линейных углеводородов), потом процесс риформинга (для наращивания октанового числа за счёт образования ароматических углеводородов). Да и производители присадок сложа руки не сидели. Казалось бы, для конструкторов настали золотые дни — повышай себе степень сжатия моторов и в ус не дуй. Но через некоторое время наступило отрезвление. Присадки отравили всё вокруг свинцом, а наращивать содержание ароматических углеводородов оказалось возможным только до определённого предела: начались проблемы как с их токсичностью, так и с банальным перегревом двигателей (в «ароматике» маловато водорода, и режим их горения довольно специфический). В результате степень сжатия моторов в 1980-х годах вынуждена была отыграть немного назад, а верхняя планка октанового числа на заправках так и не пробила потолок в 100 пунктов.
Миф четвёртый: октановое число можно измерить с помощью портативного прибора.
Мы не раз видели по телевизору, а некоторые и воочию, как приезжает на заправку фургончик передвижной лаборатории, из него выходит строгая тётенька в белом халате, раскрывает пластиковый чемоданчик, наливает бензин в какой-то прибор, пара нажатий кнопок, и — вуаля, получите предписание: «Ваш бензин не соответствует ГОСТу по октановому числу!» В этот момент вполне можно обвинить строгую тётеньку в профессиональной некомпетентности и… нарушении всё того же ГОСТа, вернее, технического регламента Евразийского союза, где чёрным по белому сказано, какими методами можно определять октановое число.
Октановое число относится к наиболее трудноопределяемым параметрам бензина. Стандартные арбитражные методы его количественной оценки предусматривают весьма затратные моторные испытания на стационарных стендовых установках, производящихся всего в четырёх странах мира (США, Россия, Германия, Китай) и недоступных массовому потребителю.
А началось всё в далеком 1882 году, когда внимание разработчиков первых бензиновых моторов привлёк тот факт, что на одном и том же двигателе, в одинаковых условиях бензины разного происхождения детонировали по-разному. Это наглядно показывало, что детонация зависит не только от двигателя, но и от свойств горючего. Так появилась новая характеристика топлива, получившая название детонационной стойкости (англ. knock resistance) и о которой мы уже рассказывали выше.
Впервые попытка её количественной оценки была предпринята в начале 1920-х годов английским инженером Гарри Рикардо из Royal Aircraft Establishment, известным конструктором автомобильных, танковых и авиационных двигателей. Им были созданы одноцилиндровые испытательные моторы с переменной степенью сжатия, для которых была разработана методика оценки детонационной стойкости по так называемой критической или наивысшей полезной степени сжатия, при которой начинается слышимая детонация. Метод этот в достаточной степени субъективен, однако принцип инициирования детонации с помощью увеличения степени сжатия оказался удачнее прочих (дросселирование, наддув, число оборотов, угол опережения зажигания, температурный режим и т. д.) и потому был использован в более поздних разработках.
В 1927 году с целью окончательного выбора пути количественной оценки склонности бензина к детонации в США был образован Кооперативный комитет по исследованию топлива (CFR), включивший представителей Американского института нефти, Ассоциации американских производителей, Национального бюро стандартов и Общества автомобильных инженеров. В том же году Джон Кэмпбелл из General Motors построил одноцилиндровый двигатель с переменной степенью сжатия, а Грэхем Эдгар из Ethyl Gasoline Corporation исследовал с его помощью образцы чистых углеводородов, включая нормальный гептан, выделенный им с помощью дистилляции смолы сосны Джеффри**. В конечном итоге Эдгар пришел к выводу, что оптимальная пара в качестве эталонов — это упомянутые выше 2,2,4-триметилпентан и гептан — их детонационная стойкость радикально различалась, а температура кипения и летучесть были близки, что обеспечивало длительную сохранность готовых смесей.
Когда известный исследователь Томас А. Бойд из компании General Motors внёс в CFR предложение утвердить двигатель с переменной степенью сжатия в качестве основного средства для детонационных испытаний бензина, некоторые члены комитета высказали опасения, что такой двигатель будет слишком сложен для массового использования. Однако моторостроительная фирма Waukesha Engine Company из штата Висконсин (США) добровольно вызвалась построить прототип. Заказ комитета был выполнен за 45 дней. 14 января 1929 года на ежегодном собрании Общества автомобильных инженеров в Детройте первая установка Waukesha была с успехом продемонстрирована публике. Это убедило скептиков, и уже к ноябрю 1931 года была продана первая сотня испытательных двигателей, причём в числе заказчиков оказались такие лидеры мировой промышленности, как Standard Oil Co., Shell Petroleum, FIAT и др. Значительный вклад в совершенствование процедуры детонационных испытаний внёс и первооткрыватель антидетонационного эффекта тетраэтилсвинца Томас Миджлей. Он разработал электромеханический датчик детонации, реагирующий не на звук, а на скачки давления в камере сгорания, получивший в честь своего изобретателя название «игла Миджлея».
В 1940 году пятнадцать американских двигателей Вокеша было закуплено для нужд снабжения Красной Армии. А уже в 1949 году выпущен первый советский образец, дизайн которого полностью копировал заокеанский прототип.
Конечно, с тех пор кое-что изменилось — в блоках регулирования испытательных стендов появилась современная электронная начинка, иглу Миджлея сменили магнитострикционные датчики. Но, как и 90 лет назад, установки для определения октанового числа состоят из тех же составных частей: одноцилиндрового четырёхтактного двигателя с переменной степенью сжатия, тормозящего асинхронного электромотора, системы подготовки воздуха, трёх топливных бачков с карбюраторами без дроссельных заслонок, аппаратуры для измерения детонации и пульта управления. Не изменились и применяемые эталонные топлива — ими остаются изооктан и гептан. Эта не меняющаяся без малого век схема — уникальный пример стойкой приверженности традиции на фоне стремительного развития прочих отраслей техники.
И вот в этом царстве консерватизма, трудоёмкости и высоких цен появляется волшебный чемоданчик, измеряющий октановое число за десять секунд безо всякой громоздкой машинерии! Но что на самом деле он измеряет и стоит ли ему доверять?
Со стендовыми установками всё ясно — они обеспечивают стандартные условия испытания (степень сжатия, частоту оборотов, угол опережения зажигания, уровень топлива в карбюраторе, температуру смеси и проч.), измерение уровня детонации в камере сгорания и его сравнение с детонацией эталонов. Потому они и стоят дорого, и в обслуживании затратны, и требуют времени на одно испытание не менее 40 минут. А вот что измеряет чемоданчик, в котором нет ни мотора, ни датчика детонации? В подавляющем большинстве случаев «октанометр» представляет собой недорогой высокочастотный конденсатор наливного типа, измеряющий отнюдь не октановое число (измерить которое вообще невозможно, так как это условная величина), а импедансную электропроводность бензина, то есть, по сути, его диэлектрическую проницаемость. Какая связь между детонационной стойкостью и диэлектрической проницаемостью? Разумеется, о полноценной функциональной зависимости речь здесь не идёт. А вот некая корреляция с суммарным содержанием высокооктановых ароматических углеводородов наличествует, поскольку их диэлектрическая проницаемость резко выделяется на фоне прочих углеводородов бензина. Она-то, эта корреляция, и вводит в заблуждение — не берусь судить, добросовестное или злонамеренное — разработчиков подобного рода приборов. Как бы то ни было, но измеряют они одно, определяют другое, а результат выдают за третье. Автору в бытность свою начальником заводской лаборатории однажды пришлось разбираться с претензией потребителя, чей «октанометр» занизил результат аж на 20 пунктов, а всё потому, что бензин был более высокого экологического класса, с пониженным содержанием токсичных производных бензола и большей долей сравнительно безвредных, но также высокооктановых изомерных алканов.
Изредка попадаются экспресс-анализаторы более высокого уровня, определяющие октановое число по интегральному химическому составу, устанавливаемому, в свою очередь, по многополосному инфракрасному спектру пропускания бензина в интервале длин волн от 845 до 1045 нм. Данная техника воспроизводит результаты моторных испытаний гораздо лучше импедансных приборов, но и она оказывается бессильна, если заранее не откалибрована под конкретный технологический процесс, по которому бензин был выпущен. В этой-то детали и прячется дьявол. С учётом того, что продвинутая градуировочная модель инфракрасного анализатора имеет десятки степеней свободы, калибровать его можно годами, и для этого требуются всё те же моторные стенды и эталонные топлива. Плюс не следует забывать про неуглеводородные антидетонационные присадки (о них будет сказано ниже), гарантированно сбивающие с толку любой портативный анализатор. В результате спектральные инфракрасные приборы, хоть и получили путёвку в жизнь, но могут быть рекомендованы только для производственных лабораторий по контролю выпуска бензина и уж никак не для инспекций товарной продукции на АЗС. Да и стоит эта импортная техника десятки тысяч долларов. Дешевле, конечно, чем стендовые моторные установки, но тоже не всем по карману. Существуют и другие, с более приемлемым соотношением «цена — качество», методы экспресс-контроля октанового числа, но и им место также исключительно в заводских лабораториях.
Общий вывод по данному вопросу такой. Портативные приборы октановое число не измеряют хотя бы потому, что, в отличие от температуры, давления и прочих физических параметров, октановое число — объект не измерения, а определения, причём с весьма сложной процедурой. Дальнейшее зависит лишь от наличия функциональной связи между октановым числом и фактически измеряемыми параметрами, которая либо отсутствует (импедансные приборы), либо чересчур заковыриста (спектральные). Неспроста ни те, ни другие приборы никогда не признавались в качестве стандартных. Словом, если хотите действовать по закону, добро пожаловать в аккредитованную лабораторию с моторными стендами Waukesha CFR или УИТ-85 и приготовьте минимум 5000 руб. за одно испытание. А все чемоданчики — от лукавого.
Миф пятый: моторное октановое число определяют на двигателе, а исследовательское — безмоторным методом лабораторного анализа.
Да, водители со стажем, помнящие старую номенклатуру марок бензина (А-76, Аи-92), в курсе даже таких тонкостей, как разница между моторным и исследовательским октановыми числами. Но выводы делают неправильные.
Итак, сходу разрушим очередной миф — и моторное, и исследовательское октановые числа определяют на одних и тех же моторных испытательных стендах. Разница лишь в условиях проведения испытаний.
Как видно из таблицы, условия проведения испытаний по моторному методу более жёсткие; этот метод изначально имитировал езду по шоссе. Исследовательский метод в большей степени отражает особенности городской езды — на более низких оборотах, с частыми остановками. Как правило, исследовательское октановое число бензина выше моторного, причём эта разница тем больше, чем больше в нём ароматических углеводородов. По российской номенклатуре ныне указывают лишь исследовательское — оно больше и потому выглядит солиднее, но помните: моторное октановое число 95-го бензина может составлять всего лишь 85. В США на АЗС принято писать так называемое заправочное октановое число — среднеарифметическое моторного и исследовательского. Так что американский 88-й бензин по факту соответствует российскому 92-му, а 91-й — нашему 95-му. Что же касается нелогичных названий, то, как и в случае с самим октановым числом, все претензии к разработавшим их американцам.
Миф шестой: октановое число можно повысить только с помощью специальных присадок.
Этот миф родился в первой половине прошлого века, когда бензин получали преимущественно простой перегонкой (строго говоря, ректификацией, но для неспециалиста особой разницы между двумя этими процессами нет) с последующим добавлением «этиловой жидкости» на основе весьма эффективного (но, к сожалению, крайне ядовитого) металлоорганического антидетонатора — тетраэтилсвинца (ТЭС). Максимальное октановое число, которого удавалось достичь прямой перегонкой, составляло порядка 70—72, наиболее ходовой маркой неэтилированного бензина у нас был А-66, а все бензины с более высоким октановым числом (в особенности авиационные) были этилированные. Позже, с появлением и массовым распространением таких процессов облагораживания, как крекинг и риформинг, появилась возможность получать неэтилированные бензины с октановым числом вплоть до 87. Добавка ТЭС творила с ними поистине чудеса — читатель будет удивлён, но первый бензин с октановым числом 100 был получен в США ещё в 1937 году! Это позволило наладить производство мощных малогабаритных двигателей для самолётов с укороченным взлётом-пробегом и развернуть массовое строительство первых ударных авианосцев.
Годы шли, технологии совершенствовались, и в 1970—1980-х годах пришло осознание того, что санитарный и экологический ущерб, наносимый этилированным бензином, более не компенсируется его эффективностью. В настоящее время ТЭС запрещён практически во всех странах мира (в России разрешён к применению лишь в авиационных бензинах). В 2000-е годы под запрет попали и другие металлорганические антидетонаторы — такие, как циклопентадиенилтрикарбонилмарганец и ферроцен. В употреблении остались лишь так называемые беззольные антидетонаторы в виде простых эфиров и производных анилина. Но их употребляют преимущественно при необходимости «дотянуть» исследовательское октановое число конечного продукта каталитических процессов с 92 до 95—98. Использовать в качестве автомобильного бензина низкооктановую «прямогонку», нашпигованную присадками, сейчас никому не приходит в голову. Их потребуется столь много, что, подняв до нужного уровня один показатель, мы напрочь испортим все остальные.
Несколько слов об октан-бустерах, продающихся в автомагазинах. Моё отношение к ним скептическое — состав непонятен, эффективность сомнительная. Если мотор, что называется, «не тянет» — бустеры не помогут, проблема тут обычно лежит в другой плоскости. Если же при езде действительно проявляются признаки детонации — металлический стук «со звоном», дымный выхлоп, перегрев двигателя, — я бы рекомендовал возить с собой литровую бутылку нефтяного толуола или ксилола (продаются в хозяйственных магазинах в качестве растворителя, моторное октановое число 103), добавляя его в таких случаях в бензобак. Поскольку толуол и ксилол сами по себе являются топливом и в довольно значительных количествах содержатся в любом бензине, это наиболее надёжный и безопасный способ поднять его октановое число на пару-тройку пунктов, чего обычно бывает достаточно для устранения детонационных стуков. А вот экспериментировать с нафталином, как советуют некоторые «умельцы», не стоит. Октановое число у него действительно высокое (еще бы, сразу два бензольных кольца!), но склонность к нагарообразованию ещё выше. Твёрдые высококипящие вещества вообще не лучший вариант для использования в качестве компонентов моторных топлив.
И напоследок. Октановое число — величина, применяющаяся исключительно в отношении топлива для двигателей с искровым зажиганием. Технические условия на дизельное топливо и авиационный керосин такого показателя не содержат, там действуют совершенно иные характеристики воспламеняемости. Что хорошо для бензинового мотора, для дизеля категорически противопоказано. Как говорится — каждому своё.
Комментарии к статье
*Бустер, от англ. booster (усилитель) — коммерческий термин, обозначающий присадки, увеличивающие октановое число бензина (синоним — октан-корректор). Соответственно, «антибустер» — фигура речи, обозначающая нечто диаметрально противоположное.
** Charles A. Amann. The Automotive Spark-Ignition Engine — An Historical Perspective in History of the Internal Combustion Engine. E. F. C. Somerscales and A. A. Zagotta, editors. ICE — volume 8. New York: American Society of Mechanical Engineers, 1989.