Бензин. Октановое число. Способы повышения октанового числа

Спо­со­бы по­вы­ше­ния ок­та­но­во­го числа

1. Работа стандартного четырехтактного двигателя внутреннего сгорания

По­тре­би­тель­ские свой­ства бен­зи­на в первую оче­редь опре­де­ля­ют­ся его стой­ко­стью к де­то­на­ции в дви­га­те­ле внут­рен­не­го сго­ра­ния.

Чтобы по­нять, что такое де­то­на­ция в дви­га­те­ле, рас­смот­рим ра­бо­ту стан­дарт­но­го че­ты­рех­такт­но­го дви­га­те­ля внут­рен­не­го сго­ра­ния.

В пер­вом такте в ци­линдр впус­ка­ет­ся смесь паров бен­зи­на и воз­ду­ха, во вто­ром такте эта смесь сжи­ма­ет­ся порш­нем. В тре­тьем такте искра от свечи за­жи­га­ния вос­пла­ме­ня­ет смесь; при сго­ра­нии про­ис­хо­дит рас­ши­ре­ние газов и со­вер­ша­ет­ся по­лез­ная ра­бо­та. В чет­вер­том такте из ци­лин­дра вы­бра­сы­ва­ют­ся от­ра­бо­тан­ные газы – про­дук­ты сго­ра­ния. Рис. 1.

Рис. 1. Ра­бо­та че­ты­рех­такт­но­го дви­га­те­ля внут­рен­не­го сго­ра­ния

Вся по­лез­ная ра­бо­та со­вер­ша­ет­ся в тре­тьем такте, и имен­но он силь­нее всего за­ви­сит от ка­че­ства бен­зи­на. Чем силь­нее сжата смесь перед вос­пла­ме­не­ни­ем, тем выше КПД дви­га­те­ля. Очень важно, чтобы вос­пла­ме­не­ние бен­зи­но­во-воз­душ­ной смеси про­ис­хо­ди­ло стро­го в нуж­ный мо­мент, по­сколь­ку дви­же­ния порш­ня и ра­бо­та кла­па­нов впус­ка-вы­пус­ка со­пря­же­ны друг с дру­гом с вы­со­кой точ­но­стью.

Из фи­зи­ки из­вест­но, что при сжа­тии газа про­ис­хо­дит его разо­грев. По­это­му в ци­лин­дре дви­га­те­ля воз­мож­на вспыш­ка бен­зи­но­во-воз­душ­ной смеси без искры, толь­ко за счет сжа­тия. Но го­раз­до хуже то, что при такой са­мо­про­из­воль­ной вспыш­ке во всем объ­е­ме обыч­но про­ис­хо­дит не быст­рое рав­но­мер­ное сго­ра­ние, а де­то­на­ция – взрыв смеси. Ско­рость го­ре­ния при пе­ре­хо­де к де­то­на­ции уве­ли­чи­ва­ет­ся с 15–20 м/с до 1500–2500 м/с. Де­та­ли при этом ра­бо­та­ют несо­гла­со­ван­но и могут раз­ру­шить­ся от чрез­мер­ных на­гру­зок.

Ор­га­ни­че­ские со­еди­не­ния, вхо­дя­щие в со­став бен­зи­на, долж­ны быть устой­чи­вы к преж­де­вре­мен­но­му вос­пла­ме­не­нию и де­то­на­ции. Эта устой­чи­вость ха­рак­те­ри­зу­ет­ся ок­та­но­вым чис­лом бен­зи­на.

2. Шкала октановых чисел

Шкала ок­та­но­вых чисел ос­но­ва­на на двух ал­ка­нах: н-геп­тане (t_кип. 98,5⁰) Рис. 2. и 2,2,4-три­ме­тил­пен­тане (изоок­тане) (t_кип. 99,2⁰) Рис. 3.

У этих ал­ка­нов почти оди­на­ко­вые тем­пе­ра­ту­ры ки­пе­ния, но раз­ное стро­е­ние. Раз­ветв­лен­ный изоок­тан го­раз­до более устой­чив к де­то­на­ции, чем «ли­ней­ный» геп­тан.

Рис. 2. н - геп­тан(t_кип. 98,5 ⁰С)

Рис. 3. Изоок­тан ( 2,2,4 три­ме­тил­пен­тан) t_кип. 99,2⁰ С

Для н-геп­та­на при­ня­то ок­та­но­вое число 0, а для изоок­та­на – 100. Бен­зи­ны срав­ни­ва­ют по устой­чи­во­сти к де­то­на­ции со сме­сью н-геп­та­на и изоок­та­на.

3. Определение октанового числа

В Рос­сии про­да­ва­е­мые на за­прав­ках бен­зи­ны имеют ок­та­но­вые числа АИ-80, АИ-92,

АИ-95 и АИ-98. Ок­та­но­вое число типа АИ опре­де­ля­ют на спе­ци­аль­ном ис­сле­до­ва­тель­ском дви­га­те­ле с пе­ре­мен­ной сте­пе­нью сжа­тия в ре­жи­ме малых и сред­них на­гру­зок. Ис­пы­ты­ва­е­мый бен­зин срав­ни­ва­ют со стан­дарт­ной сме­сью н-геп­та­на и изоок­та­на и при­сва­и­ва­ют бен­зи­ну ок­та­но­вое число, со­от­вет­ству­ю­щее со­дер­жа­нию изоок­та­на в стан­дарт­ной смеси. На­при­мер, бен­зин АИ-92 со­от­вет­ству­ет по де­то­на­ции при малых и сред­них на­груз­ках смеси из 92% изоок­та­на и 8% н-геп­та­на.

Раз­лич­ные ор­га­ни­че­ские со­еди­не­ния об­ла­да­ют раз­ной устой­чи­во­стью к де­то­на­ции в дви­га­те­ле, при этом нет пря­мой связи между стро­е­ни­ем ве­ще­ства и его ок­та­но­вым чис­лом.

Табл. 1. Зна­че­ния ок­та­но­во­го числа раз­лич­ных видов топ­ли­ва.

Из таб­ли­цы 1 видно, что при обыч­ной пе­ре­гон­ке нефти невоз­мож­но по­лу­чить бен­зин для со­вре­мен­ных дви­га­те­лей – ок­та­но­вое число бен­зи­на пря­мой пе­ре­гон­ки не пре­вы­ша­ет 60. По­это­му нефть под­вер­га­ют спе­ци­аль­ной пе­ре­ра­бот­ке в при­сут­ствии ка­та­ли­за­то­ров.

4. Каталитический крекинг

При ка­та­ли­ти­че­ском кре­кин­ге нефть или ее тя­же­лые фрак­ции на­гре­ва­ют до 510–540⁰С на ка­та­ли­за­то­ре – ша­ри­ках алю­мо­си­ли­ка­тов (цео­ли­тах). Мо­ляр­ная масса ис­ход­ных ал­ка­нов умень­ша­ет­ся, из них по­лу­ча­ют­ся ал­ке­ны и аро­ма­ти­че­ские уг­ле­во­до­ро­ды. При этом уда­ет­ся пре­вра­тить ис­ход­ное сырье в бен­зин с вы­хо­дом до 60%. Ок­та­но­вое число бен­зи­на ка­та­ли­ти­че­ско­го кре­кин­га – 91–92. В бен­зи­нах, по­лу­чен­ных ка­та­ли­ти­че­ским кре­кин­гом, ве­ли­ка доля аро­ма­ти­че­ских уг­ле­во­до­ро­дов, а также ал­ке­нов. По­след­ние со вре­ме­нем по­ли­ме­ри­зу­ют­ся, по­это­му такой бен­зин не может долго хра­нить­ся.

5. Каталитический риформинг

При ка­та­ли­ти­че­ском ри­фор­мин­ге бен­зи­ны пря­мой пе­ре­гон­ки на­гре­ва­ют до 480–520⁰С при по­вы­шен­ном до 35 атм дав­ле­нии на ка­та­ли­за­то­ре – ок­си­де алю­ми­ния с до­бав­ка­ми пла­ти­ны, рения и дру­гих ме­тал­лов. При ри­фор­мин­ге про­ис­хо­дит об­ра­зо­ва­ние аро­ма­ти­че­ских уг­ле­во­до­ро­дов из цик­ло­ал­ка­нов. Ис­ход­ное сырье пре­вра­ща­ет­ся в бен­зин АИ-95 с вы­хо­дом до 74%.

6. Метод добавок

Кроме ка­та­ли­ти­че­ских про­цес­сов для по­лу­че­ния вы­со­ко­ок­та­но­вых бен­зи­нов ис­поль­зу­ют спе­ци­аль­ные до­бав­ки.

Самая эф­фек­тив­ная из таких до­ба­вок – тет­ра­этил­сви­нец Pb(C₂H₅)₄. Од­на­ко он очень ядо­вит, к тому же отрав­ля­ет спе­ци­аль­ные ка­та­ли­ти­че­ские до­жи­га­те­ли топ­ли­ва, очи­ща­ю­щие ав­то­мо­биль­ные вы­хлоп­ные газы.

На­и­ме­нее вред­ная до­бав­ка к бен­зи­ну – ме­ти­л­трет­бу­ти­ло­вый эфир СН₃—O—C(СН₃)₃, име­ю­щий ок­та­но­вое число 117. Этот эфир ши­ро­ко при­ме­ня­ет­ся в Ев­ро­пе и в Рос­сии. Од­на­ко его доля в бен­зине ве­ли­ка (5–12%), и тре­бу­ет­ся мас­со­вое про­из­вод­ство дан­но­го про­дук­та.

Пер­спек­тив­ным счи­та­ет­ся ис­поль­зо­ва­ние в ка­че­стве мо­тор­но­го топ­ли­ва эти­ло­во­го спир­та (ок­та­но­вое число 105), од­на­ко он пока до­ро­же бен­зи­на.

Под­ве­де­ние итога

Рас­смот­ре­на тема: «Бен­зин. Ок­та­но­вое число. Спо­со­бы по­вы­ше­ния ок­та­но­во­го числа». Вы узна­ли о самых вос­тре­бо­ван­ных про­дук­тах пе­ре­ра­бот­ки нефти – мо­тор­ных топ­ли­вах, о том, что пред­став­ля­ет собой бен­зин и его ок­та­но­вое число, а также о су­ще­ству­ю­щих спо­со­бах по­вы­ше­ния ок­та­но­во­го числа.