Топливо. Числом и умением

У нас в стране нет ни одного автомобилиста, которого не волновала бы проблема качества топлива. Наверное, практически все на своем опыте ощутили, как чувствителен современный двигатель к тому, каким бензином он питается...

У нас в стране нет ни одного автомобилиста, которого не волновала бы проблема качества топлива. Наверное, практически все на своем опыте ощутили, как чувствителен современный двигатель к тому, каким бензином он питается...

 

Почему-то на одном бензине машина бежит, как молодая, а на другом — «тупеет» или попросту отказывается идти, хотя заявленное октановое число у одного и другого одинаковое. Но что такое бензин, и от чего зависит его качество? Для большинства из нас это некая жидкая, постоянно дорожающая субстанция, необходимая для двигателя и одновременно являющаяся источником катастрофического обогащения микроскопической части населения страны и причиной постоянных стрессов остальных.

 

Проблема качества топлива очень многоплановая. С одной стороны, качество бензина строго регламентировано действующими ГОСТами. Вроде бы, топливо, не соответствующее этим нормативам, не должны допускать на рынок. И на любой заправке вам с удовольствием покажут сертификаты на продаваемое топливо, подтверждающие его соответствие ГОСТу. Но двигателю-то от этих бумажек не легче. В чем тут дело? Заранее исключим варианты использования липовых сертификатов, будем считать, что всеми фирмами, работающими на нефтяном рынке, руководят исключительно честные люди, которые никогда не пойдут на подобные преступления. Попробуем разобраться, от каких параметров качества бензина в максимальной степени зависит работа двигателя.

Их несколько, все они взаимосвязаны и в значительной степени определяются составом и технологией получения топлива. К сожалению, из этих параметров только некоторые регламентированы ГОСТом. Внимательный анализ предписанных параметров качества, например, по наиболее свежему ГОСТ Р 51105-97, действующему на территории России, показывает, что эти правила писали не в интересах конечного потребителя-автомобилиста, а для упрощения жизни фирм-производителей топлива. Поэтому топливо, формально полностью соответствующее нормативам, ведет себя в двигателе совершенно по-разному.

Сначала рассмотрим октановое число топлива — всем известные цифры «76», «92», «95». Рядовой автолюбитель знает только, что если залить бензин с низким октановым числом, горючая смесь в двигателе будет детонировать. Особо умные «специалисты» скажут: «Пальцы стучат!» Детонация — это процесс самопроизвольного воспламенения топлива под воздействием волны давления, распространяющейся от фронта пламени в цилиндре двигателя. Не будем утомлять читателя описанием кинетики процесса сгорания, это очень сложный для понимания вопрос, к тому же не имеющий однозначного толкования в современной теории ДВС. Для нас важно, что горение топлива — это цепная реакция распада длинных молекул углеводородного топлива на так называемые активные центры — радикалы со свободными химическими связями, их окисление с образованием промежуточных и конечных продуктов сгорания и выделением теплоты, которая и используется двигателем.

В нормальном режиме процесс сгорания активизируется разрядом на свече зажигания, формирующим начальный очаг пламени. От него начинает распространяться фронт пламени, постепенно заполняющий весь объем камеры сгорания. Активизация горения во фронте пламени происходит от контакта сравнительно холодного свежего заряда с горячими продуктами сгорания. Скорость движения фронта сгорания сравнительно невысока — 30–70 м/с.

 

Повторяемость этого процесса от цикла к циклу определяют стабильность работы двигателя. При детонации скорость сгорания резко возрастает — в литературе есть упоминания о скоростях распространения детонационных волн в 2500–3000 м/с, то есть гиперзвуковых скоростях! Процесс сгорания становится неуправляемым и начинает походить на маленький взрыв. Отсюда и стуки, и потеря мощности, и перегревы двигателя.

 

Чем ниже октановое число, тем больше топливо склонно к самовоспламенению. Следовательно, и порог детонации приближается. Но при увеличении октанового числа мы встречаемся с другой проблемой — торможением нормальной скорости сгорания топлива. Чем стабильнее молекулы углеводородных соединений бензина, тем неохотнее они образуют активные центры, разгоняющие фронт пламени. Поэтому зачастую низкооктановое топливо при прочих равных обстоятельствах (например, степени сжатия) обеспечивает большую мощность двигателя.

Как же получают заданное октановое число топлива? Методов достаточно много. При существующих технологиях базовый бензин чаще всего существенно не дотягивает до требуемого октанового числа, особенно когда идет речь о высокооктановом топливе. Наиболее совершенные технологии получения бензина — каталитический крекинг и каталитический риформинг — дают максимум 90–92 единицы октанового числа. Но этот бензин дорогой, поскольку требует дорогостоящего оборудования, доступного только крупным НПЗ.

Более дешевый, стало быть, и более привлекательный для фирм-нефтетрейдеров бензин — прямогонное топливо. Но при малой цене этот бензин отличается низкой детонационной стойкостью, к тому же сильно зависит от состава исходного сырья. Октановое число подобного топлива «гуляет» от 45 до 70. Доводка, или «легирование», базового топлива происходит путем добавления различного рода высокооктановых компонент или октаноповышающих присадок. Такие бензины называются компаундированными.

Несмотря на разнообразие названий и торговых марок высокооктановых присадок и компонент, все их можно разделить на несколько групп, дифференцированных по механизму повышения октанового числа:

А. Металлосодержащие и металлоорганические высокооктановые присадки — антидетонаторы.

До недавнего времени самой распространенной октаноповышающей присадкой являлся тетраэтилсвинец (ТЭС), с помощью которого производился этилированный бензин. На примере этой присадки можно проиллюстрировать общий принцип работы металлосодержащих препаратов.

Как уже говорилось ранее, сам механизм сгорания топлива, в том числе и детонационного, определяется концентрацией так называемых активных центров. При регулярном сгорании образование активных центров происходит непосредственно во фронте пламени, распространяющемся по объему камеры сгорания от свечи на периферию цилиндра. В случае возникновения детонации активные центры появляются во всем объеме цилиндра под действием волны давления, инициированной этой аномалией сгорания. Свинец, входящий в состав антидетонатора, «перехватывает» часть этих активных центров, уменьшая тем самым вероятность развития цепной реакции детонационного сгорания. При этом в качестве продукта реакции образуются оксиды свинца. Их надо удалять из двигателя. Роль выносителя свинцовистых соединений играют этиловые жидкости (углеводородные соединения с галогенами — хлором или бромом), являющиеся компонентой этой присадки.

 

Однако наличие свинца в отработавших газах резко повышает экологическую опасность двигателя, поэтому применение ТЭС запрещено в странах ЕС и резко ограничено в России. Но не только экологическая опасность этилированного бензина ограничивает его использование. Оксиды металлов, образующиеся при использовании металлосодержащих присадок, осаждаясь на элементах выпускного тракта, быстро выводят из строя датчик остаточного кислорода. Галоидные соединения отравляют автомобильный катализатор. Сами этиловые жидкости вызывают коррозию элементов топливной аппаратуры, поэтому использование этилированного бензина резко противопоказано инжекторным двигателям. Тут идут даже на разные конструктивные ухищрения, типа уменьшения диаметра заливной горловины бензобака инжекторной машины и требования использования на АЗС для этилированного бензина топливораздаточных пистолетов с диаметром не менее 22 мм, — чтобы не было даже технической возможности заправиться не тем бензином, но вы же понимаете...

 

В настоящее время широкое распространение получила группа присадок на основе ферроцена — «Ферро3», МАФ, «Октан-Максимум» и марганцевых соединений (циклопентадиенилтрикарбонилмарганец — ЦТМ, метил-ЦМТ) — «Хайтек-3000». Эти присадки обладают высокой эффективностью повышения октанового числа, отличаются низкими концентрациями (менее 1 % по массовому составу) и сравнительно невысокой стоимостью, однако имеют проблемы с зольностью и выносимостью из двигателя. Так, длительная эксплуатация бензина с добавками ферроцена способствует формированию токопроводящих отложений, приводящих к быстрому выходу из строя свечей зажигания, а также нарушению герметичности и перегреву клапанов, залеганию поршневых колец и т.д. Наверное, многим приходилось видеть свечи с красными, как будто ржавыми электродами. Это и есть отложения ферроцена.

Для марганцевых антидетонаторов проблема выносимости, в принципе, решается. Выносителя для ферроцена или других железосодержащих присадок нет. Проблему частично пытаются решить за счет законодательного ограничения предельного содержания железосодержащих присадок.

Еще одним отрицательным аспектом влияния металлосодержащих присадок является некоторое снижение скорости сгорания в цилиндре двигателя. Это влечет потерю мощности двигателя, рост расхода топлива и дополнительное увеличение токсичности отработавших газов.

В настоящее время известны разработки антидетонаторов на основе никеля и хрома. Но и тут проблемы те же — выносимость присадки. Но, поскольку себестоимость бензинов, изготовленных с помощью химизации посредством добавления металлосодержащих присадок, самая низкая, то полностью отказаться от их использования вряд ли удастся.

Б. Добавки, содержащие анилиновые и бензольные компоненты.

Анилин — один из самых распространенных ароматических углеводородов. В чистом виде он имеет ОЧИ 320, поэтому добавка 1 % анилина способна повысить октановое число более чем на 3 единицы. Однако использование анилина в чистом виде нецелесообразно из-за его невысокой стабильности и потемнения бензинов при длительном хранении. Кроме того, высокое содержание ароматиков в бензине повышает нагарообразование в камере сгорания и токсичность отработавших газов по содержанию наиболее опасных для организма человека отравляющих веществ — канцерогенов. Несмотря на это, на отечественном рынке широко используются добавки на базе модифицированных соединений анилина — монометиланилина (ММНА-Экс­тралин). Кроме того, к этой группе принадлежат препараты Е-3000 (Франция), БВД, ВАКЭ, ДАКС. Октановое число ММНА составляет 280 единиц.

В целом, данная группа добавок весьма эффективна и недорога (порядка 32–40 тыс. рублей за тонну), однако ее использование в прямом виде ведет к определенному торможению процессов сгорания в двигателе, снижению экономичности и росту токсичности ОГ. На рынке западных стран использование подобного рода препаратов также ограничено.

В. Спирто- и эфиросодержащие высокооктановые компоненты.

 

Наиболее известные препараты этой группы — метилтретбутиловый (МТБЭ) и этилтретбутиловый эфиры (ЭТБЭ). Широко используются в качестве высокооктановых компонент изобутиловый и другие многоатомные спирты, а также метанол и этанол. Октановое число МТБЭ составляет 135–140, поэтому для получения высокооктанового бензина процент ввода этой компоненты должен быть достаточно большим (до 10–15 %). Несмотря на это, способ химизации топлива использованием МТБЭ является самым распространенным при получении бензинов марок А-95 и А-98.

 

Наличие МТБЭ в бензине выдает запах топлива. При высоком содержании этой компоненты топливо по запаху больше напоминает эфир, чем бензин.

Дополнительное положительное качество МТБЭ и других компонент этой группы состоит в том, что они содержат в своем составе большое количество связанного кислорода. То есть, используя бензин, содержащий МТБЭ, мы заранее готовим топливовоздушную смесь, обогащенную окислителем, частично имеющую свойства монотоплива. Это способствует существенному повышению полноты сгорания и снижению токсичности отработавших газов. Именно использование кислородсодержащих компонент является ныне основной линией создания экологического топлива, пропагандируемого фирмами, работающими в выс­шей ценовой группе на него.

Однако топливо, содержащее добавки рассматриваемой группы, имеют три существенных недостатка. Во-первых, спирты и эфиры имеют значительно более низкую теплотворную способность, чем базовый бензин. Это означает, что общая теплотворность компаундированного бензина, содержащего МТБЭ, снижается.

Следствие — потеря мощности и увеличение удельного расхода топлива. Это обстоятельство заставило законодательно ограничить предельную добавку МТБЭ уровнем 15 % по объему топлива. Во-вторых, спирты и эфиры имеют высокую летучесть, что предопределяет значительную временную и температурную нестабильность топлива, содержащего МТБЭ. Поэтому подобное топливо редко встречается на АЗС с малым оборотом топлива. В-третьих, спирты и эфиры достаточно агрессивно ведут себя по отношению к резинам, что снижает надежность работы системы топливоподачи бензиновых двигателей.

Так, при последних испытаниях бензинов, мы имели неосторожность недолгое время хранить бензин А-98 одной из наших фирм в стальной канистре, окрашенной в зеленый цвет. Через три дня мы с удивлением обнаружили, что и бензин начал зеленеть. А еще через четыре дня вся краска, которой была окрашена внутренняя поверхность канистры, плавала в виде пленок в самом бензине.

Таким образом, каждый из методов получения высокооктанового бензина имеет свои недостатки. Частично их пытаются компенсировать, создавая присадки комбинированного действия, например, уменьшая концентрацию препаратов бензольных групп, компенсируют снижение их эффективности вводом определенного количества ферроцена.

Если октановое число — параметр достаточно понятный и волей-неволей известный всем автомобилистам, то зависимость поведения двигателя от источника происхождения и технологии получения бензина зачастую не очень понятна и специалистам. А тем не менее то, с какого завода получен бензин и из какого исходного сырья он изготовлен, очень серьезно отражается на его восприятии двигателем.

Дело в том, что бензин — сложная комбинация углеводородов ароматической, парафиновой, нафтеновой и других групп. Процентное содержание в бензине углеводородов каждого из этих видов определяет его групповой состав. В свою очередь, групповой состав определяет теплотворную способность бензина — важнейший параметр, непосредственно влияющий на мощность двигателя. Именно от него зависит, сколько выделится теплоты от сгорания одного килограмма топлива.

Наибольшей теплотворной способностью обладает топливо с преобладанием углеводородов парафиновой группы. Наименьшей — с преобладанием ароматических углеводородов.

Групповой состав топлива, в основном, зависит от типа сырья, из которого производится бензин, а также от технологии его изготовления.

Конечно же, определить непосредственно на АЗС, какой бензин продается, практически невозможно. Но есть один параметр, прямо зависящий от группового состава бензина, который проверить можно всегда, какие бы виды лабораторного оборудования не были выбраны. Это плотность бензина, то есть масса фиксированного объема топлива.

Чем больше в топливе тяжелых фракций, тем больше его плотность. Наоборот, чем больше летучих легких — тем плотность ниже. Кроме того, на плотность топлива влияет процент содержания высокооктановых компонент — спиртов и эфиров.

По нашим оценкам, на рынке топлива России преобладает топливо с разбросом плотности от 725 до 770 г/л.

Мы провели стандартный цикл моторных стендовых испытаний топлива различных весовых групп. Методика предельно проста. Один и тот же двигатель, установленный на стенде, поочередно заставляли работать в фиксированных режимах на топливе с различной плотностью. При этом замерялись мощность двигателя, расход топлива и воздуха, токсичность отработавших газов. Двигатель мы взяли самый простой и широко распространенный в России — карбюраторный ВАЗ-21083. Естественное условие испытаний: постоянство регулировок системы зажигания и карбюратора.

Все бензины по величине плотности мы разделили на три условные группы — тяжелые с плотностью от 755 до 770 г/л, средние — от 740 до 755 г/л, и легкие — от 725 до 740 г/л.

Результаты испытаний, откровенно говоря, несколько ошеломили. Такого разброса показателей двигателя мы не ожидали! Если по величине крутящего момента разница между бензинами сравнительно невелика — 2–3 %, причем наилучшие показатели дают тяжелые бензины, то по экономичности и токсичности отработавших газов различия в параметрах просто огромные. И при этом резко выделяется в лучшую сторону группа легких бензинов. По величине удельного расхода топлива разница доходит до 10–12 %, по содержанию СН — и того больше, до 30 % .

Попробуем разобраться, в чем дело. Конечно, мы не можем претендовать на полный анализ, поскольку информации маловато, но ясно следующее. Очевидно, что легкое топливо обеспечивает некоторое обеднение топливовоздушной смеси по сравнению с тяжелым.

Поскольку дозирующие устройства карбюратора настроены на объемные расходы, то использование более тяжелого топлива обеспечивает некоторое увеличение цикловой подачи бензина. Следовательно, увеличивается теплотворность смеси — мощность растет. Но для мощности двигателя важно не только количество топлива, но и оптимальность соотношения «топливо–воздух». Из теории ДВС известно, что наилучшие параметры мощности достигаются в зоне регулировок состава смеси, обеспечивающего максимальную скорость сгорания, то есть при значениях коэффициента избытка воздуха 0,92–0,95. Использование же тяжелого топлива уводит состав смеси за оптимальный диапазон, поэтому и прирост мощности не столь выражен.

Легкое топливо, наоборот, при том же объемном расходе дает более бедную топливовоздушную смесь, следовательно, мы уходим в область оптимальных условий сгорания. Поэтому общее уменьшение массовой цикловой подачи топлива не дает существенного снижения мощности двигателя, а удельный расход топлива резко снижается. Обеднение смеси при работе на легких бензинах существенно влияет и на токсичность отработавших газов, которая во многом определяется составом топливовоздушной смеси. Особенно выражен эффект снижения уровня содержания остаточных углеводородов — СН. Здесь, помимо изменения состава смеси, влияет и улучшение испаряемости топлива — ведь перевести в газообразное состояние топливо, содержащее больше легких летучих компонент, проще.

Вывод прост: если нужна мощность двигателя, ищите тяжелый бензин; если же больше беспокоят затраты на эксплуатацию, что наиболее актуально в нынешней ситуации с взбесившимися ценами на топливо, предпочтителен легкий бензин.

И еще один немаловажный момент. Всем известно, что на нашем рынке существует топливо двух ценовых групп. Наряду с отечественными работают представительства различных известных зарубежных фирм — Neste, Shell и др. Топливо у них существенно дороже. Если исключить более высокий уровень сервиса на АЗС этих фирм, чем еще оправдывается повышенная цена на их топливо?

Главное отличие — наличие серьезного входного контроля качества поступающего топлива, а также присутствие в топливе специальных моющих присадок, предназначенных для торможения темпа загрязнения топливной системы и камеры сгорания двигателя. К сожалению, без этого большинство инжекторных систем иномарок работать отказываются. Непосредственный эффект по увеличению мощности и снижению расхода топлива при использовании подобного бензина обычно является вторичным и достигается только при длительном постоянном использовании фирменных бензинов, и то — по сравнению с обычным топливом.

Мы разработали специальную методику и посмотрели, насколько эффективно работают моющие присадки. Принцип простой — исследовалось изменение массы отложений на свечах при работе двигателя на разных бензинах. Итог весьма показателен — уровень отложений при использовании бензина с моющими присадками в два-три раза меньше, чем при испытаниях на контрольном варианте топлива.