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
Начнем с азов
Октановое число - важный показатель качества бензина, характеризующий его антидетонационную стойкость. Детонация - это самопроизвольное, не зависящее от искры на свече зажигания, воспламенение рабочей смеси в цилиндре под воздействием температуры и давления, сопровождающееся ненормально быстрым ее сгоранием. Незначительная и краткая по времени детонация, возникающая, как правило, при резком увеличении нагрузки, особой угрозы не представляет, хоть и проявляется неприятными для слуха стуками и характерным «цоканьем», которое автомобилисты со стажем называют «звоном пальцев».
Под большой нагрузкой детонация может быть сильнее и разрушительнее. Возникающие при этом стуки могут быть «замаскированы» общим шумом двигателя. Длительная детонация чрезвычайно опасна. Она способна в считанные часы (а то и минуты) разрушить двигатель.
В погоне за дополнительной мощностью моторостроители на протяжении всего прошлого века шли самым простым путем - повышали степень сжатия (т. е. соотношение объемов цилиндра при нахождении поршня в нижней и верхней мертвых точках). Более высокое давление сжатой рабочей смеси провоцировало детонацию. Требовался бензин с все большим октановым числом. Если в тридцатые годы прошлого века величайшим достижением считали бензин с октановым числом 76, то теперь не удивляет и 100.
Октановое число топлива определяется на специальном одноцилиндровом двигателе путем сравнения со смесью изооктана (изомера октана 2, 2, 4-триметилпептана) и η-гептана. Октановое число бензина, равное, например, 92, означает, что его детонационная стойкость соответствует стойкости смеси из 92 частей изооктана и 8 - η-гептана. Хотя оба вещества и входят обычно в состав бензина, октановое число не означает, что бензин состоит только из них. Это куда более сложный «коктейль», точный рецепт которого зачастую не знают даже сами его производители. Когда американец Рассел Маркер из корпорации Ethyl разрабатывал в 1926 году методику определения октанового числа, он выбрал η-гептан в качестве нулевого эталона только по одной причине: конкретный изомер углеводородного соединения высокой чистоты из нефти не получить, а η-гептан можно произвести из сосновой смолы.
Если с октановым числом в принципе все понятно, начнем все запутывать. Октановые числа (а их как минимум два) - не единственные единицы измерения антидетонационной стойкости. Даже на одном и том же моторном стенде с помощью двух разных методик определяются два показателя.
Исследовательский метод ASTM дает нам, соответственно, исследовательское октановое число или, правильнее, октановое число по исследовательскому методу (ИОЧ). Помните буковку «и» в маркировке наших старых бензинов?
В ходе испытания одноцилиндровый двигатель с принудительно изменяемой степенью сжатия работает в контролируемых условиях с минимальной нагрузкой.
Для определения октанового числа по моторному методу (МОЧ) подаваемая в тот же двигатель рабочая смесь предварительно подогревается, обороты коленвала увеличиваются, меняются регулировки момента опережения зажигания. Таким образом, бензин подвергается более жесткому и близкому к реальной эксплуатации испытанию. Обычно ИОЧ топлива на 8–10 единиц больше его МОЧ. Это соотношение стоит запомнить, оно может пригодиться для практических расчетов.
Общего, стандартного способа обозначения детонационной стойкости бензина в мире не существует. В Европе и Австралии используют исследовательский метод. У нас в стране до недавнего времени ходили оба, о чем свидетельствовала упомянутая буква «и» (или ее отсутствие -
свидетельство использования моторного метода). В Новой Зеландии, соседке Австралии, больше оперируют МОЧ. Даже исследование проводили о снижении его минимума с 82 до 81 единицы. А вот Северная Америка идет своим путем. Там используют совсем другие названия, к счастью, обозначающие один и тот же параметр. В ходу здесь антидетонационный коэффициент AKI - Anti-Knock Index, дорожное октановое число RdON - Road Octane Number (не путать с RON - Research ON - 0Ч по исследовательскому методу), насосное октановое число PON - Pump Octane Number или просто (R+M)/2. Последнее обозначение объясняет суть всех предыдущих. В США и Канаде указывается среднее арифметическое окатновых чисел, полученных по двум разным методикам, то есть
AKI=ИОЧ+МОЧ/2. AKI на 4–5 единиц меньше, чем ИОЧ
(RON). Эти цифры тоже могут пригодиться.
Маленькая экскурсия
Если все вышеупомянутое вам понятно, придется усложнить ситуацию. Очень часто продавцы топлива вместо октанового числа указывают сорт бензина. При этом в разных странах за одними и теми же словами скрываются разные цифры. Более того, единообразия нет даже в отдельных штатах, образующих США.
Начнем от родной печки. У нас бензин А-92 уже подается как Regular, А-95 как Premium и А-98 - как Super. Еще не исчез А-76, замаскированный под А-80, но скорый запрет оставил «старичка» без названия.Данные по некоторым другим странам приведены в сводной таблице. Сразу ее прокомментируем.
Горные штаты США ничем не отличаются от других горных районов мира. Высота над уровнем моря здесь больше, воздух разреженнее. Как ни старайся, без наддува давление в цилиндре как в начале такта сжатия, так и в его конце будет ниже, чем на равнине. Следовательно, и бензин здесь может обладать пониженной стойкостью к детонации. Помните об этом, собираясь надолго спуститься с гор. Чуть пониженные требования к ОЧ в Калифорнии объясняются просто: надо подтолкнуть жителей самого богатого штата к покупке имеющегося в избытке «сотого». Ferrari и Porsche скажут «спасибо». И нефтетрейдеры тоже. В ряде стран Европы 95-й уже давно считается «стандартным» или «регулярным». Хуже не делают.
Зато в некоторых странах третьего мира с Regular и Standard возможны осложнения: они могут быть схожи с нашим А-76 (80). Приведенные здесь сведения помимо познавательного имеют и прикладное значение. Зная страну происхождения купленной иномарки, ее владелец сможет определить, каким бензином надо потчевать свою стальную лошадку. Ведь абсолютное большинство машин, кроме спортивных, представительских и тюнинговых, как правило, довольствуется сортом Regular/Standard без указания в мануале реального октанового числа. Полезны эти цифры и сервисменам, как помогающие определить, каким путем устранять, например, «тупость» машины. Просто перейти на бензин с большим О4 или менять дорогостоящий блок управления двигателем. К месту, специально для механиков, отметим, что сильной детонацией (и от сильной детонации) больше страдают карбюраторные двигатели. На впрысковых обычно имеется датчик детонации в виде миниатюрного пьезоэлектрического микрофона, по сигналу которого электронные мозги делают зажигание более поздним, снижая детонацию. Двигатель страдает меньше, больше страдает владелец машины. Из-за ухудшившейся динамики и роста расходов на топливо.
Вернемся к теме
Как вся эта путаница связана с машиной нашего коллеги? Его Mitsubishi прибыл к нам из Штатов. Обращаемся к таблице. И как «японка», и как «американка» машина должна радоваться нашему 92-му. И переход на 95-й ни динамики, ни экономичности ей не добавит.
Наиболее вероятно, что наш коллега неосознанно выдавал желаемое за действительное. Ему стоит установить бортовой компьютер или хотя бы позаправляться под пробку на одной и той же колонке недельку-другую, регулярно записывая данные расхода и пробега. Затем повторить замеры на другом сорте топлива. Правда, с учетом городских пробок результат все равно получится очень приблизительным.
Если экономия все-таки подтвердится, возможно несколько вариантов ее возникновения.
Первый и самый простой. Определенная часть машин в силу суммирования допусков и иных технологических причин имеет характеристики, отличающиеся от паспортных. И это надо принять как данность.
Второе, менее оптимистическое. За годы эксплуатации в камере сгорания скопился нагар и другие отложения, ее объем уменьшился, а степень сжатия, соответственно, возросла. Что и «приспособило» двигатель под бензин с более высоким октановым числом. Лечится регулярным добавлением противонагарных присадок в бензин плюс длительной ездой на высокой скорости. Альтернативой присадке могло бы стать использование «чистящего» бензина Shell V-Power, но за отсутствие лишних хлопот придется расплачиваться. Если «химия» не поможет, то остается «механика». Впрочем, без более веских причин двигатель лучше не разбирать. Если «химия» поможет, скорее всего, двигатель придется подрегулировать.
Третье, самое сложное. Глючит система управления двигателем, зажигание, система рециркуляции отработавших газов. Замена блока управления - дело несложное, но очень дорогое. Стоит проконсультироваться у хорошего диагноста, если такого удастся найти. Как и специалиста по каталитическим нейтрализаторам.
Еще чуть-чуть теории
Многочисленные исследования в разных странах мира подтверждают, что переход на бензин с более высоким октановым числом при постоянной степени сжатия не дает никаких преимуществ, а только повышает расходы на топливо. Теплотворная способность, а значит, и запасенная энергия у разных сортов топлива примерно одинакова. Высокооктановый бензин выделяет столько же энергии, как и стандартный, но горит медленнее. В результате не успевшее сгореть топливо может быть выброшено в глушитель (смерть катализатору) и далее в атмосферу (смерть живому).
Более того, как утверждает сайт Gas Bank USA, производители автомобилей (BMW, Porsche, Mercedes-Benz и др.), даже рекомендуя высокооктановый бензин, допускают применение стандартного без угрозы для двигателя, но с некоторым ухудшением параметров автомобиля.
О том, каково это ухудшение, можно судить по данным, опубликованным Hyundai Motor. На бензине Premium 4,6-литровый двигатель V8 седана Genesis выдает максимальную мощность 375 л. с., а на стандартном (AKI-87) - 386, т. е. менее чем на 2% меньше.
В американском руководстве по эксплуатации Smart Fortwo приведено то же предупреждение, что и для автомобилей Mercedes: «Для обеспечения долгой надежной работы и высоких характеристик двигателя следует использовать бензин сорта Premium Unleaded». А в нижней строке: «Бензин Regular не причинит вреда вашему автомобилю».
Мы не призываем переходить на низкооктановый бензин. Но если ваш автомобиль под него и «заточен», есть ли смысл платить лишние деньги? При одинаковом химическом составе, равной энергоемкости и не зависящем от октанового числа использовании/неиспользовании присадок единственное отличие между сортами бензина - размер прибыли, получаемой продавцом топлива.
Полезные формулы
Определяя, какой бензин нужен вашей машине, полезно знать, что:
AKI = RON+MON/2;
RON - MON ≈ 8–10;
RON - AKI ≈ 4–5;
AKI 87usa= RON 92eu;
AKI 90 ≈ RON 95;
где:
AKI - Anti-Knock Index - антидетонационный коэффициент (США);
RON - Research Octane Number - октановое число по исследовательскому методу (ИОЧ);
MON - Motor Oil Number - октановое число по моторному методу (МОЧ).
Для того чтобы разобраться, что такое октановое число, необходимо иметь хотя бы малое понятие о принципе функционирования двигателя внутреннего сгорания. По сути, это понятие обозначает химическую стойкость топлива к возгоранию. Чем выше этот показатель, тем ниже такая вероятность.
Детонация
На одной из стадий своей работы поршень любого автомобильного двигателя начинает сжимать воздушно-топливную смесь. В результате действия высокого давления возникает вероятность её самовозгорания до момента появления искры от свечи зажигания. Это явление называется детонацией и становится серьёзной проблемой для многих машин. Его основная угроза заключается в повреждении шатунов и расплавке поршневых отверстий. Ремонт этих поломок стоит довольно дорого. Как бы там ни было, но такие случаи в наше время происходят сравнительно редко, поскольку большинство производителей оборудуют силовые агрегаты машин компьютеризированными блоками, способными обнаруживать частоты, что характерны для детонации.
Степень сжатия
Высокая степень сжатия предоставляет двигателю возможность выдавать большую мощность при использовании меньшего количества топлива. В моторах современных моделей машин она составляет 10:1. Вместе с этим, если речь идёт об агрегатах с прямым впрыском, она существенно возрастает. В данном случае особо важную роль играет октановое число топлива. Следует отметить, что на расход этот показатель не влияет никак. Как правило, самой высокой степенью сжатия отличаются спортивные автомобили. В связи с этим они больше всего нуждаются в высокооктановом топливе.
Способы подсчёта показателя
Для того чтобы высчитать, каковым является октановое число того или иного вида топлива, необходимо сначала подобрать смесь из эталонных углеводородов. Таковыми являются изооктан и нормальный н-гептан. Их показатели соответственно равняются 100 и 0. Определение значения далее происходит моторным либо исследовательским методом, путём применения специальной установки, обеспечивающей переменную степень сжатия. При использовании моторного способа имитируется высокая нагрузка двигателя, когда температура топливной смеси достигает отметки в 150 градусов. Частота вращения при этом находится в одинаковом значении, составляющем 900 оборотов за одну минуту. При применении второго из указанных методов топливная смесь не нагревается, а частота вращения равняется 600 оборотов за одну минуту.
Определение октанового числа
Точно высчитать значение показателя можно следующим образом. Делается это при помощи испытательного стенда, представляющего собой мотор с одним цилиндром и карбюратором. При этом уровень детонации фиксируется за счёт специальных датчиков. Сначала запускается двигатель с тестируемым топливом, после чего подбирается эталонная смесь. Режим работы при этом не меняется. Выраженное в процентном соотношении содержание изооктана в эталонной смеси, которое появится в результате, и будет показывать стойкость бензина. Другими словами, если смесь на 75 процентов состоит из изооктана, это значит, что октановое число проверяемого топлива равняется 75 единицам. При использовании моторного способа определяются детонационные особенности машины при движении с невысокой скоростью, частом запуске и регулярных остановках силового агрегата. Что касается исследовательского метода, то он предоставляет возможность подробно рассмотреть процесс сжигания топлива при езде по трассе в одном и том же режиме. Как показывает практика, во втором случае значение показателя всегда будет немного большим.
Повышение октанового числа
Чем ярче выражен запах топлива, тем выше его октановое число. Это связано с тем, что парафиновые и ароматические углеводороды, имеющие разветвлённую структуру, повышают значение показателя. В связи с этим становится понятно, почему рекомендуется хранить бензин в закрытых ёмкостях. Путём использования специальных присадок происходит улучшение характеристик топлива. Следует отметить, что каждый из их типов призван выполнять отдельную задачу. Одни из них предназначены для повышения октанового числа, а другие - для снижения выброса в атмосферу вредных элементов. В настоящее время в нашей стране на автозаправках можно увидеть такие марки бензина, как АИ-95, АИ-92, АИ-96, А-76 и А-80. Следует отметить, что буква «И» в названии является свидетельством того, что показатель определялся исследовательским методом. В то же время цифра в наименовании - это и есть октановое число.
Газ
Очень удобным и сравнительно дешёвым видом топлива, которое становится всё более популярным среди автомобилистов из года в год, стал газ. В данном случае речь идёт о пропанобутановой смеси. Она производится из нефти и попутных сконцентрированных нефтяных газов. Для того чтобы она постоянно оставалась в жидком состоянии, её хранение и перевозка происходит под давлением в 16 атмосфер. Следует отметить, что в смеси бутан выступает в роли топлива, в то время как пропан обеспечивает давление. Этот вид топлива, по сравнению с другими, имеет множество существенных различий, начиная с химического состава и заканчивая стоимостью. Среди многих владельцев автомобилей бытует мнение, что газ вредит двигателю, а его характеристики являются значительно худшими по сравнению с бензином. На самом деле такое утверждение является ошибочным. Ярким тому доказательством можно назвать октановое число газа, которое для пропанобутановой смеси составляет 110 единиц. Как уже было отмечено выше, максимальное значение этого показателя для бензина равняется 98 единицам.
Сегодня мы поговорим о таком редко обсуждаемом обывателями явлении, как октановое и цетановое числа в топливе. Что это такое в сравнении одно с другим? В чем разница? Где применяется октан, а где цетан? И нужно ли мне это знать?
Октановое число
Начнем с основ, самого простого и распространенного показателя, октанового числа. Он используется в качестве шкалы оценки бензина. Октановое число , как слышали скорее всего многие, является показателем, который характеризует детонационную стойкость бензина, то есть возможность топливу сопротивляться самопроизвольному воспламенению при сжатии .
Что это означает? Бензин с более высоким октановым показателем может быть сжат до более высоких атмосфер (высокого давления), при этом топливовоздушная смесь не воспламенится раньше времени. Иными словами, можно подвести такой вывод под одной из тех цифр, что мы обычной видим на заправках: 92, 95, 98, - это показатель того, насколько вы можете сжать воздушнотопливную смесь прежде чем бензин в ней загорится.
C₈H₁₈ Макет октана
Если происходит преждевременное возгорание топлива, до того, как в заданный промежуток времени проскочит электрическая искра, мы получим так называемую детонацию, крайне вредное для любого мотора явление, с которым инженеры уже давно научились бороться. Как видим, в том числе при помощи топлива.
Кстати, а знали ли вы, что шкала алканов, в которые входят в том числе и октаны, простирается от 0, этот показатель соответствует гептану (C₇H₁₆) до показателя в 100 единиц, что соответствует октану (C₈H₁₈)? Теперь знаете или по крайней мере вспомнили. Вот такое небольшое отступление в химические дебри школьной программы.
Чем еще полезен высокооктановый бензин, кроме отсутствия или минимального присутствия возможности детонации? При высоком показателе компрессии двигатель способен развить больше крутящего момента при одном и том же объеме израсходованного топлива. То есть, двигатель становится эффективным. При этом двигатель позволяет заранее выставить фазы, что даст временной запас при движении поршня в верхнюю мертвую точку и оптимально поджечь смесь.
И наконец, благодаря вышеназванным плюсам, высокооктановое топливо лучше работает в двигателях с турбинами и нагнетателями.
Пару слов о низкооктановом бензине. Все те показатели, только со знаком минус, наблюдаются у топлива с низким октановым числом. Этим обусловлено использования бензинов АИ-80, 92 и в относительно маломощных атмосферных моторах.
Цетановое число
Цетан используется для схожей шкалы оценки, только у дизельного топлива. Характеристика воспламеняемости дизельного топлива, определяющая период задержки горения рабочей смеси.
Что это значит? Это измерение временного промежутка, с того момента, когда топливо впрыскивается в цилиндр и когда это топливо начинает гореть. По науке - промежуток времени, проходящий от впрыска топлива в цилиндр до начала его воспламенения .
Высокое цетановое число дизельного топлива, будет являться измеренным показателем того, насколько топливо быстро воспламеняется после впрыска в цилиндры. И, наоборот, низкое цетановое число, означает, что для поджигания топлива потребуется некоторый временной промежуток.
C 16 H 34 Макет цетана
Измеряется показатель цетана также по шкале углеводородов, крайний левый в которой будет 1-метилнафталин, (C 11 H 10) - отображается 0, 100 - цетан (C 16 H 34).
Преимущество ускоренного возгорания дизельного топлива заключается в том, что двигатель работающий на нем может развивать больше крутящего момента, задержка зажигания будет минимальной, скорость набора оборотов будет выше. Синхронизация работы фаз при помощи работы двигателя на высокоцетановом топливе может проводиться более точно, воспламеняя топливовоздушную смесь в тот момент, когда требуется развить максимальный крутящий момент.
Финальным плюсом высокого показателя цетана можно назвать низкие выбросы углеводородов в атмосферу, поскольку такое топливо сгорает полнее. Но, при этом, как показывают исследования, твердых частиц из выхлопной трубы выбрасывается больше, чем у дизельного топлива с низким показателем цетана.
Как бы то ни было, чем выше цетановое число, тем лучше, это показатель более качественного ДТ.
Надеемся теперь вопросов не возникнет.
Видео взято с YouTube-канала: "Engineering Explained"
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.
Что такое детонация, и в чем заключается ее пагубность для двигателя
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.
Понятие октанового числа
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.
Как определяется октановое число
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
Как влияет использование бензина с повышенным или пониженным октановым числом на работу двигателя
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.
Как повысить октановое число
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.