Октановое число. Опровержение мифов
Кандидат технических наук Лев Мачулин (г. Ухта)
Ни об одном показателе качества автомобильного бензина не ходит столько нелепых слухов и легенд, как об октановом числе.
Ни об одном показателе качества автомобильного бензина не ходит столько нелепых слухов и легенд, как об октановом числе. Слышали об этом числе и видели цифры на заправках 80-92-95-98 практически все, но что они означают, доподлинно известно немногим.
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.
Продолжение статьи читайте в номере журнала
