Современные методы повышения октанового числа

Октановое число — мера детонационной стойкости бензина и моторных масел. То есть, она равна процентному (за объемом) содержания изооктана (2,2,3-триметилпентан) в смеси с нормальным гептаном, эквивалентные по детонационной устойчивости топлива, что испытывается при стандартных условиях.

Причина детонации — выделение энергии при повышенном образовании гидропероксидов ROOH в парах бензина при их окислении кислородом воздуха. Если концентрация гидропероксидов превысит некоторый предел, произойдет их взрывной распад. Взрыв пероксидов протекает по механизму разветвленно-цепных реакций. 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.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 — 2,2,3-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.То есть, если в нормальных условиях испытания бензин эквивалентен по детонационной стойкости смеси, содержащей 95 % изооктана и 5 % н-гептана, то октановое число такого бензина равно 95. Именно это число написано на всех бензозаправках, и от него зависит качество и цена бензина. Для автомобильных бензинов октановое число определяют двома методами — моторным и исследовательским. 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.

Методы повышений октанового числа в бензине

Для повышения октанового числа в бензин вводят также так называемые высокооктановые компоненты. К ним относятся ароматические углеводороды с короткой разветвленной боковой цепью, например, кумол . Другая добавка — так называемый алкилат (алкилбензин), смесь насыщенных углеводородов изостроения, получаемая алкилированием изобутана непредельными углеводородами — алкенами, в основном бутиленами. В результате образуется смесь изооктанов [1, с. 114]:

(2,2,3-триметилпентан); (2,2,4-триметилпентан). Алкилат имеет октановое число не менее 90–91,5.

Одним из наиболее широко используемых средств для увеличения уровня октанового числа считается метилтретбутиловый эфир (МТБЭ) , представляющий собой бесцветную легковоспламеняющуюся жидкость со свойственным ей запахом. МТБЭ характеризуется высоким октановым числом и нетоксичностью. При добавлении 10–15 % МТБЭ в состав бензина, рост октанового числа составляет порядка 6–12 единиц. Большинство высокооктановых бензинов производится с применением этой или других аналогичных добавок эфирного класса. К недостатка МТБЭ можно отнести его высокую летучесть и возможность испарения из бензина в жаркую погоду.Чтобы повысить октановое число бензина, широко используют антидетонаторы. Самым первым из них был сравнительно недорогой тетраэтилсвинец. Тетраэтилсвинец (ТЭС) признан одним из самых эффективных антидетонаторов. Он представляет собой маслянистую бесцветную жидкость, с температурой кипения около 200°С. В чистом виде тетраэтилсвинец не добавляется, так как при сгорании образовывается оксид свинца, который осаждается на клапанах, поршнях и т. д. в виде нагара. Для удаления из камеры сгорания оксидов свинца начали применять специальные «вещества — выносители» (бромистый этил, дибромэтан, дибромпропан), который при сгорании образовывали со свинцом летучие соединения, легко удаляемые из камеры сгорания. Смесь тетраэтилсвинца с «веществом — выносителем» и специальным красителем имела название этиловая жидкость, а бензин с данными компонентами — этилированным. Сегодня, производство этилированного бензина запрещено ввиду его высокой токсичности. Свинец способен накапливаться в организме, является ядом и вызывает рассеянный склероз. ТЭС очень ядовит и является канцерогенным веществом. Он может проникать в кровь человека через поры кожи и постепенно накапливаться в ней. Также возможно попадание в организм через дыхательные пути, что может вызвать тяжелые заболевания [3, с. 41].

При высокой температуре в молекулах этого соединения легко рвутся связи Pb–C, с образованием этильных радикалов: . Атомы свинца легко окисляются кислородом до оксидов свинца, а диоксид эффективно разрушает гидропероксиды с образованием малоактивных соединений — альдегидов и спиртов, например: 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 и дибромпропан . Тогда свинец выносится вместе с выхлопными газами в виде бромида . Этиловая жидкость очень эффективна в повышении антидетонационных свойств топлив. Добавка долей процента этиловой жидкости в бензин позволяет увеличить его октановое число на 5–10 пунктов. Самая эффективная концентрация ТЭС составляет 0,5–0,8 г на 1 кг бензина. Более высокие концентрации ведут к повышению токсичности топлива, тогда как детонационная стойкость возрастает незначительно. Были разработаны и другие, менее токсичные антидетонаторы, например: трикарбонил (2,3,2-циклопентадиенил)марганец , анилин , ферроцен , димер карбонил(2,3,2-циклопентадиенил)никеля. Эти антидетонаторы слишком дороги, а кроме того образуют твердый нагар на стенках цилиндров в значительно бóльших количествах, чем тетраэтилсвинец [2, с. 187].

Литература:

1. А. А. Гуреев, Ю. М. Жоров, Е. В. Смидович «Производство высокооктановых бензинов» — М.: Химия, 1981. — 224 с.
2. А. К. Мановян «Технология переработки природных энергоносителей» — Москва: Химия, КолосС, 2004. — 456 с.
3. Ю. А. Лебедев «Второе дыхание марафонца (о свинце)» — М.: Металлургия, 1990. — 144 с.