Октановое число

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.

Состав бензина

Бензин. Состав бензина

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

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.