Октановое число бензина

Бензин — легковоспламеняющаяся жидкость, не имеющая цвета или с легким желтоватым оттенком (если отсутствуют специальные добавки). В целях улучшения рабочих свойств моторного топлива, применяемого в двигателях внутреннего сгорания, производители стараются увеличить октановое число бензина. Для этого в него добавляют соответствующие компоненты. Если при сгорании топлива слышен характерный металлический звук, создаваемый детонационной волной при многократном отражении ее от стенок цилиндра, то КПД двигателя снижается, кроме того, ускоряется его износ.

В этом случае говорят, что качество топлива неудовлетворительное, так как октановое число низкое. Детонационную стойкость моторного топлива, то есть способность противостоять самовоспламенению из-за сжатия в цилиндрах работающего двигателя и характеризует этот показатель. Численно он равен объемной доле изооктана (другое его название: 2,2,4-триметилпентан) в двухкомпонентной смеси, содержащей еще и н-гептан. Такая смесь при определении ее детонационной стойкости в стандартных условиях испытания создает эффект, эквивалентный исследуемому топливу.

Изооктан — предельный углеводород C8H18 изостроения. Он, благодаря своим свойствам, трудно окисляется даже при высокой степени сжатия, поэтому его детонационную стойкость условно приняли равной 100 единицам. Н-гептан в двигателе ведет себя иначе: даже при невысоких степенях сжатия процесс его сгорания сопровождается детонационным эффектом, поэтому величина этого показателя для него принята за 0 единиц. В тех случаях, когда октановое число бензина выше 100 единиц, для оценки его качества применяется условная шкала смесей, где в основной компонент — изооктан — добавлены различные дозы тетраэтилсвинца.

Поэтому можно утверждать, что этот показатель является самой значительной характеристикой моторного топлива. Он показывает, насколько бензин устойчив к детонации, то есть к произвольному возгоранию в цилиндрах мотора. Вероятность взрыва горючего в ДВС будет максимально снижена, если этот показатель будет высоким. Если октановое число бензина соответствует 95 единицам, то он детонирует как смесь, состоящая из 95 % 2,2,4-триметилпентана и 5 % нормального гептана. После первичной обработки нефти для продукта, называемого прямогонный бензин, данная характеристика редко превосходит величину в 70 единиц. Поэтому, чтобы повысить качество низкосортного бензина, применяют не только компаундирование (смешение с высокооктановыми продуктами), но и вводят антидетонаторы в количестве до 0,3 %.

Качество топлива зависит во многом от состава природного ископаемого, из которого его получают фракционированием или перегонкой, — нефти. Для нее важны такие показатели, как вязкость, фракционный состав, присутствие сернистых соединений и парафинов, а также содержание воды и растворенный в ней солей. Однако перечисленные факторы скорее влияют на особенности переработки и выбор технологии. Качество бензина, то есть величину его октанового числа, определяет углеводородный состав нефти, а затем и способ ее переработки, от которого также зависит, сколько в бензине будет изооктана, н-гептана, ароматических соединений и так далее.

Антидетонационные свойства бензина повышают содержащиеся в нем ароматические углеводороды. Высокое содержание бензола, прежде всего, влияет на состояние окружающей среды, так как является источником бензапирена (канцероген). Повышенное содержание высококипящих ароматических соединений способствует повышению нагарообразования в камере сгорания и на клапанах двигателя. Все это ухудшает такие рабочие показатели, как мощность двигателя, КПД, экологические и экономические аспекты его работы. Нагар, образовавшийся в камере сгорания, заставляет владельца авто выбирать моторное топливо таким образом, чтобы октановое число бензина было высоким. В противном случае значительно понижается мощность или мотор работает с детонацией.

Источники: http://fb.ru/article/39314/oktanovoe-chislo-benzina

С большой долей уверенности можно сказать, что абсолютно все владельцы авто слышали об октановом числе бензина, однако, немногие из них знают, что на самом деле представляет собой это число, от чего оно зависит, и что зависит от него. Именно о нем пойдет речь в этой статье, но прежде давайте рассмотрим такое явление, как детонация.

Одним из основных требований к автомобильному бензину является его устойчивость к детонации. Горючая смесь в цилиндре ни в коем случае не должна воспламеняться до того момента, пока ее не подожжет искра с электродов свечи зажигания. В случае самовоспламенения топливной смеси под воздействием высокого давления, в цилиндре неизбежно возникнет детонационный эффект – взрывное возгорание топлива, сопровождающееся соответствующим звуком.

Это явление оказывает пагубное, а порой даже разрушительное влияние на детали поршневой группы. Дело в том, что скорость полного сгорания топливной смеси в цилиндре, при условии ее поджога от искры, составляет 15-60 м/с, а при возникновении детонационного эффекта она сгорает со скоростью 2000-2500 м/с. А это уже не горение, а настоящий взрыв, повторяющийся с каждым циклом, вызывая резонанс. Вредное воздействие последнего приводит к разрушению самого поршня, поршневого пальца, шатуна и других деталей двигателя.

Благо, современные автомобили оснащаются датчиками детонации, которые способны улавливать ее малейшие признаки и передавать соответствующий сигнал на электронный блок управления (ЭБУ) двигателем, который, в свою очередь, либо уменьшает количество топлива в смеси, либо корректирует угол опережения зажигания. Однако и ЭБУ не всегда может справиться с подобной проблемой, особенно если в баке находится некачественный или несоответствующий требованиям двигателя бензин.

Каждый из водителей, заправляя свой автомобиль на АЗС, заказывает оператору нужное количество топлива, указывая его привычное наименование (80, 92, 95, 98). На самом деле это не наименование, не марка, не степень горючести, и даже не мера детонации, как объясняют некоторые «специалисты». Цифры в названии бензина указывают на его октановое число, определяющее его детонационную устойчивость. Оно в процентном отношении определяет содержание смеси изооктана с н-гептаном в бензине. Почему именно эти вещества? Все просто. Дело в том, что изооктан практически не взрывоопасен, из-за чего он не поддается детонации, а его детонационная устойчивость равна 100. В свою очередь, н-гептан взрывается при малейшем увеличении давления, поэтому его устойчивость к детонационным процессам приравнивают к нулю.

Смешивая данные вещества в нужных пропорциях, и добавляя их в топливо, мы имеем возможность регулировать величину его октанового числа, тем самым приспосабливая бензин под разные двигатели.

Есть два общепринятых способа вычисления октанового числа: исследовательский и моторный. Первый способ предполагает проверку бензина на его устойчивость к детонационным процессам при умеренной нагрузке на силовой агрегат. Испытания проводятся на специальном стенде с использованием одноцилиндрового бензинового мотора при переменной нагрузке, оборотах 600 об/мин, температуре воздуха в топливной смеси +52 0 С и угле опережения зажигания, равном 13 0 . Мотор сначала работает на испытуемом топливе до возникновения детонации. После ее фиксации двигатель при той же нагрузке переводят на эталонное топливо из смеси изооктана и н-гептана в разных концентрациях. Зафиксировав момент возникновения детонационного эффекта, испытания прекращают. Количество изооктана в бензине, при котором начался процесс детонации – это так называемое, исследовательское октановое число. И если в маркировке бензина присутствует литера «И» (АИ), это значит, что оно было определено вышеописанным исследовательским методом.

Моторный способ подразумевает определение устойчивости топлива к детонационным явлениям в условиях реальной езды при повышенной нагрузке на мотор (900 об/мин при температуре топливной смеси +149 0 С и переменном угле опережения зажигания). Процесс определения октанового числа – аналогичный вышеописанному.

Существует еще один метод установления величины октанового числа. Его суть заключается в измерении количества изооктана специальным прибором – цифровым октанометром. Он довольно прост и удобен в использовании. Принцип действия октанометра заключается в сравнении состава исследуемого бензина с эталонными образцами топлива, и основан на его диэлектрических особенностях. Данный метод на сегодняшний день еще не сертифицирован на территории России, поэтому октанометр не может являться официальным инструментом для проведения исследований.

Величина октанового числа при разных методах его определения может несущественно отличаться. Ниже приведена таблица основных марок бензина с указанием их октанового числа

Для каждой марки и модели автомобиля заводом-изготовителем предусмотрен бензин с определенным октановым числом. Узнать его можно из руководства по эксплуатации авто. Но что же произойдет, если не придерживаться рекомендаций?

Применение топлива с меньшим октановым числом, как мы уже знаем, ведет к детонации. Кроме этого увеличивается расход, снижается мощность двигателя, а при длительной нагрузке на него возможно прогорание клапанов, перегрев двигателя, выход из строя деталей поршневой группы. При использовании бензина с большим октановым числом ничего страшного не произойдет, разве, что немного снизится динамика за счет более длительного времени сгорания горючей смеси.

Ниже представлена таблица, из которой можно узнать, какое топливо лучше подойдет для двигателей с разной степенью сжатия.

До недавнего времени производители топлива для повышения его устойчивости к детонации применяли тетраэтилсвинец – вещество, с высокими антидетонационными характеристиками. Но, поскольку оно оказалось еще и сверхядовитым, а также быстро выводило из строя катализаторы и кислородные датчики в выхлопной системе, ему быстро нашли альтернативу.

Сегодня для повышения октанового числа используются различные ароматические (имеют большое октановое число) и парафиновые углеводороды (обладают наименьшим октановым числом), именуемые прсадками. Многие из них имеют большие показатели летучести, что нередко приводит к тому, что бензин, в который они были добавлены, при негерметичной емкости может быстро из 95 стать, например, 92 или 80.

Увеличить октановое число можно и самостоятельно. Для этого необходимо приобрести какую-нибудь из присадок и добавить ее в топливо. Одним из таких средств является метилтретбутиловый эфир. Эта присадка считается практически безвредной для окружающей среды и элементов двигателя, чего не скажешь о ферроцене, в составе которого находится обыкновенное железо, оседающее прочным красноватым налетом на электродах свечей.

Состав бензина

Цетановое число

Качественный бензин

Октановое число бензина

Октановое число и цетановое число. Из-за принципиально разного устройства двигателей Даймлера и Дизеля к бензину и дизельному топливу предъявляются прямо противоположные требования.

В двигателе внутреннего сгорания с принудительным поджигом смесь бензина и воздуха в цилиндре при сжатии не должна самовоспламеняться. Если же это случится, возникает детонация.

Впервые устойчивость бензинов к детонации была исследована в 1921 г. американским инженером Г. Рикардо. Он предложил первую шкалу детонационной стойкости бензинов. В начале 30-х г. из-за высокой стойкости к детонации за стандарт был выбран изооктан (2,2,4-триметилпентан). Это соединение смешивали в самых разных соотношениях с гептаном нормального строения (он весьма склонен к детонации), и у каждого образца определяли детонационную стойкость. Октановое число данного сорта бензина численно равно содержанию (в объёмных процентах) изооктана в его смеси с гептаном, при котором эта смесь эквивалентна по детонационной стойкости исследуемому топливу в стандартных условиях испытания. Октановое число может превышать 100 (если бензин ещё более стоек к детонации, чем чистый изооктан).

*Детонация — это взрывное воспламенение топлива, которое проявляет себя в виде характерного звука и приводит к быстрому износу двигателя. При детонации фронт пламени распространяется со скоростью 2—2,5 км/с, тогда как при нормальном сгорании топлива в цилиндре скорость составляет лишь 15—60 м/с.

Если для бензина важно, чтобы он не воспламенялся в смеси с воздухом даже при высокой степени сжатия, то для дизельного топлива, напротив, необходимо, чтобы оно самопроизвольно воспламенялось в цилиндре. Для характеристики способности разных сортов дизельного топлива к воспламенению принято использовать цетановое число. Его определяют, сравнивая способность к воспламенению данного топлива и смеси углеводорода цетана (гексадекана C₁₆H₃₄ t кип=287 °C) с метилнафталином (жидкость с t кип=245 °С).

Октановое число различных бензинов

• Бензин прямой гонки 40—70
• Бензин термического крекинга 70—75
• Бензин каталитического крекинга 80—90
• Бензин риформинга 80—90

Цетановое число соответствует процентному содержанию цетана в смеси: чем оно выше, тем легче топливо самовоспламеняется при сжатии. Чем больше в топливе неразветвлённых насыщенных углеводородов и чем меньше разветвлённых и ароматических, тем выше способность к самовоспламенению и детонации. Бензобаки автомобилей заправляют смесью бензиновых фракций, выделенных в различных процессах переработки нефти. Базовые компоненты бензина, помимо бензина прямой перегонки, — это фракции, полученные в результате процессов каталитического и термического крекинга и риформинга. Октановые числа этих фракций, как правило, не превышают 90. Поэтому в состав автомобильного бензина включают также высокооктановые компоненты, которые получают в ходе специальных промышленных реакций.

Удлинение углеводородной цепи позволяет увеличить октановое число до 105. Смешение всех этих компонентов позволяет получить бензин с необходимым октановым числом.

Проблему увеличения октанового числа бензинов можно решить с помощью специальных добавок (их называют антидетонационными присадками). Так, добавление 0,82 г тетраэтилсвинца Pb(С₂Н₅)₄ к 1 кг изооктана увеличивает октановое число бензина до 110. Огромный недостаток данной присадки (этиловой жидкости) заключается в том, что при её сгорании образуются высокотоксичные соединения свинца, большая часть которых с выхлопными газами выбрасывается в атмосферу. Из-за этого во многих странах запрещено применять тетраэтилсвинец.

Сейчас основными добавками, увеличивающими октановое число бензинов, служат кислородсодержащие соединения — этиловый спирт, трет-бутиловый спирт (СН₃)₃СОН, метил-трет- бутиловый эфир (СН₃)₃СОСН₃, метил-трет-амиловый эфир С₂Н₅С(СН₃)_2ОСН₃. Октановые числа этих соединений высоки (например, у (СН₃)₃СОСН₃ оно равно 120), а токсичность их, а также продуктов их сгорания (вода и углекислый газ) низка.

Качественный бензин

Помимо октанового числа бензина, которое должно соответствовать классу двигателя, к топливу предъявляется ещё несколько важных требований. Прежде всего это его фракционный состав — содержание в бензине отдельных фракций с различными температурами кипения. От фракционного состава зависят условия пуска двигателя, длительность прогрева, полнота сгорания топлива.

При промышленном выпуске бензинов в них растворяют газообразные линейные и разветвлённые бутаны, которые не только обладают высокими октановыми числами, но и характеризуются высоким давлением насыщенных паров.

Ещё одно требование — химическая стабильность. Для увеличения стабильности в бензин при хранении добавляют специальные соединения — антиоксиданты. Их действие основано на замедлении процессов окисления за счёт превращения активных радикалов в малоактивные. При отрыве активным радикалом атома водорода от ОН-группы образуется неактивный радикал, прерывающий цепную реакцию окисления.

Сравните дорогие духи с их сложным неповторимым ароматом и характерно пахнущую маслянистую желтоватую жидкость, заливаемую в баки автомобилей на бензоколонках. На первый взгляд может показаться, что парфюмерный шедевр — это кропотливая филигранная работа, а бензин — всего лишь продукт крупнотоннажного химического производства. На самом же деле по сложности композиция обыкновенного бензина может потягаться с хорошими духами, а требования, предъявляемые современным обществом к качеству, экономичности, экологической чистоте бензина, стимулируют работу сотен химических лабораторий по всему миру. Настоящие исполины мировой нефтехимической промышленности — «Бритиш Петролеум», «Шелл», «Шеврон» — ежегодно тратят миллионы долларов на разработку более совершенных, безопасных для природы антидетонационных присадок, на поиск новых уникальных композиций топлива. А поскольку не за горами тот день, когда нефтяные запасы Земли истощатся, перед химиками стоит фантастическая по своей сложности задача — как с умом истратить то, что есть, а потом найти, чем это можно заменить.

*Этиловая жидкость — раствор тетраэтилсвинца в этилбромиде С₂Н₅Вr. При её сгорании свинец переходит в летучий бромид PbВr₂ (t пл=370 °С, t кип=893 °С).

Совет: Определить, есть ли в бензине тетраэтилсвинец, можно с помощью качественной реакции, носящей имя Кимштедта. Несколько капель бензина наносят на фильтровальную бумагу и высушивают. При обработке сероводородом или сульфидом аммония образуется сульфид свинца, и на фильтровальной бумаге появляется интенсивная тёмная окраска.

Источники: http://www.kristallikov.net/page21.html