От скважины до камеры сгорания

Иллюстрация к статье От скважины  до камеры сгорания

«Бензин, моя кровь...» – пел артист. И хотя речь шла о самолете, сей образ применим и к автомобилям. Что такое качественный бензин? Как влияет его состав на эксплуатационные свойства автомобиля и токсичность отработавших газов? Какова роль топлива в образовании нагара и различных отложений в системе питания? Сегодня мы попытаемся ответить на эти вопросы.

Перегонка, крекинг, риформинг…

Все знают, что бензин – это смесь углеводородных соединений различного строения. Однако, несмотря на одинаковые «кирпичики», бензины бывают разные. И дело тут не только в октановых числах, которые мы видим на табло АЗС. Отличия бензинов друг от друга начинаются еще со скважины, с нефтяного месторождения.

Так уж распорядилась природа, что нефть нефти рознь. Одна богата циклопарафинами, другая – ароматическими углеводородами. Бывают нефти сернистые и малосернистые. А влияние той же «ароматики» и серы на свойства моторных топлив огромно, о чем будет сказано ниже.

Свою лепту, и немалую, вносит технология получения бензина – сей факт тоже будет отслеживаться на протяжении всей статьи. Поэтому освежим в памяти некоторые понятия и термины – с тем чтобы в дальнейшем пользоваться ими со спокойной совестью.

Начнем с того, что бензин можно получать первичной и (или) вторичной переработкой. К первичной относится прямая перегонка нефти с разделением по температурам кипения фракций (мазут, газойль, керосин, лигроин, бензин). Однако выход бензина здесь будет невелик – порядка 20%, а его качество оставит желать лучшего. Так, октановое число этого продукта не превысит 50 «моторных» единиц (об октановых числах и методах их определения подробно сказано далее).

Вторичная переработка основана на разложении углеводородов нефти на более летучие вещества. Хрестоматийным примером здесь является крекинг – термический либо каталитический.

Термический крекинг основан на расщеплении тяжелых фракций (например, мазута) под действием высоких температур. Бензин, получаемый в результате этого процесса, содержит больше непредельных (ненасыщенных) углеводородов, нежели прямогонный «собрат», и имеет большее октановое число. Однако непредельные углеводороды склонны к окислению, вызывающему осмоление бензина и образование отложений при его хранении. Чтобы избежать этого, в продукт добавляют специальные антиокислители.

Каталитический крекинг, как и следует из названия, проводится в присутствии катализаторов. В отличие от термического крекинга, к реакциям расщепления здесь добавляются процессы образования разветвленных углеводородов, существенно повышающих октановое число. А вот непредельных углеводородов при каталитическом крекинге образуется меньше, следовательно, такой бензин более устойчив при хранении.

В качестве катализаторов могут использоваться природные либо синтетические алюмосиликаты, а если каталитический процесс проводится в водородной среде, его называют гидрокрекингом.

К вторичным процессам относят и так называемый каталитический риформинг. Он заключается в нагревании бензина в присутствии платинового катализатора, – при этом происходят реакции превращения парафинов и циклопарафинов в ароматические углеводороды, существенно повышающие октановое число конечного продукта. Кстати, бензин риформинга получается малосернистым.

фото

Кроме того, производители применяют процессы алкилирования и изомеризации. В первом случае получают алкилаты (запомним – это весьма ценный компонент бензина!), во втором – изомеризаты (тоже запомним, пригодится ниже).

Но и это еще не все – в производстве товарных марок топлива широко используется метод смешения прямогонных бензинов с продуктами вторичных процессов и специальными присадками.

Итак, разные природные месторождения, разные технологические процессы, разное оборудование… Не удивительно, что бензины одной и той же марки, но полученные разными производителями, отличаются друг от друга. Плохо ли это? На данный вопрос мы ответим позже, а пока поговорим о важнейшей характеристике бензинов – детонационной стойкости.

Еще раз про «октан»

Об октановых числах бензинов наш журнал уже писал – и неоднократно. Но поскольку сей показатель в обязательном порядке значится во всех документах от ГОСТа до накладной на партию топлива, обойти его в нашей беседе никак нельзя.

Итак, октановое число (ОЧ) количественно оценивает стойкость бензина к детонации. Можно сказать и по-другому: ОЧ показывает, насколько применяемое топливо соответствует степени сжатия данного двигателя.

Различают ОЧ, полученные по моторному (ОЧМ), либо по исследовательскому (ОЧИ) методам. За рубежом эти показатели обозначаются соответственно MON (motor octane number) и RON (research octane number).

Несмотря на разницу в названиях, оба метода основаны на испытаниях пробы топлива на работающем одноцилиндровом двигателе с изменяемой степенью сжатия. В процессе испытаний отслеживают момент начала детонации, сравнивая горение проверяемого топлива с горением эталонной смеси изооктана (ОЧ = 100) и нормального гептана (ОЧ = 0). Однако условия проведения «моторных» и «исследовательских» испытаний не одинаковы, поэтому ОЧМ и ОЧИ данного бензина могут существенно различаться.

фото

Моторный метод старше исследовательского. Он родился в эпоху поршневой авиации, а в автомобилестроении применялся для бензиновых двигателей тяжелых грузовиков, работающих на шоссе «с полной выкладкой». Отметим, что это было до всеобщей дизелизации грузового транспорта.

С ростом числа легковых автомобилей, разъезжающих «в городском цикле», методику испытаний изменили. Так появился исследовательский метод – но моторного он не вытеснил. В нормативных документах разных лет фигурируют два ряда октановых чисел: исследовательские и моторные.

Если в маркировке автомобильного бензина применяют «моторное» октановое число, то оно пишется в сочетании с буквой «А», например, А‑76. Если же бензин промаркирован по исследовательскому методу, то к букве «А» прибавляется «И», – например, АИ‑95.

Разницу между ОЧИ и ОЧМ называют чувствительностью. Чем она меньше, тем лучше, поскольку при этом сближаются «шоссейные» и «городские» качества бензина, достигается его универсальность по детонационной стойкости в разных условиях эксплуатации.

От чего зависит данный показатель? Если в бензине много ароматических углеводородов, то чувствительность будет значительной. А вот алканы (парафиновые углеводороды) чувствительность снижают. Так, например, алкилат имеет ОЧМ = 90 и ОЧИ = 91, т.е. его чувствительность равна единице. Поэтому алкилат – самый желанный компонент в автомобильном бензине.

Кроме ОЧМ и ОЧИ, существуют и другие показатели детонационной стойкости топлива, – например, так называемая «дельта эр». Эта характеристика показывает, насколько октановое число головных фракций отличается от октанового числа самого бензина.

Кстати, НПЗ всегда стремятся к равномерному распределению детонационной стойкости бензина по фракциям. Для этого существует показатель, аналогичный упомянутому «дельта эр» – его именуют КРДС (коэффициент распределения детонационной стойкости). Другое его название – «фронтальное октановое число».

Что будет, если не выдержать КРДС в требуемых пределах? Ничего хорошего: при разгоне легкие фракции бензина сгорают в первую очередь. Последующие фракции, «отставая» по КРДС от легких, будут провоцировать детонацию. Это довольно распространенное явление выглядит в жизни так: вроде бы заправился «девяносто пятым», а «пальчики-то зазвенели». Вывод очевиден: КРДС данного бензина ниже нормы.

Но это еще не все. И за рубежом, и у нас применяются так называемые «дорожные октановые числа», когда детонационные свойства оценивают акустическими приборами на реальном автомобиле непосредственно на дороге. И что интересно: разные автомобили показывают различные «дорожные» октановые числа!

Это наглядно демонстрирует, что детонационная стойкость бензина связана не только с конструкцией двигателя, но и с трансмиссией, шинами, а также техническим состоянием автомобиля.

А еще есть понятие «фактическое октановое число» – оно определяется на стенде при определенной скорости и нагрузке. Словом, характеристик детонационной стойкости бензина очень много, что понятно: двигатель нуждается в топливе, которое обеспечит ему хорошую работу на всех режимах. А жизнь все время ставит эту задачу по-новому.

А как оценивают детонационную стойкость бензина за рубежом? Вот несколько интересных фактов.

В Японии используют один метод – исследовательский. Кстати, там существуют всего две марки бензина, с RON 89 и 96, причем на «восемьдесят девятом» эксплуатируется до 80% автомобилей. Это выгодно всем, и в первую очередь населению. В Японии трудно встретить машину старше пяти лет, поэтому тезис «современная машина требует высокооктанового бензина» в Стране восходящего солнца «не работает». Однако вне зависимости от октанового числа бензин там качественный, с моющими присадками, без вредных примесей.

фото

В Европе и Америке детонационную стойкость топлив оценивают по двум методам – исследовательскому и моторному. Но американцы для маркировки бензина применяют взвешенный показатель «моторное ОЧ плюс исследовательское ОЧ пополам». Это так называемый «октановый индекс», а история его происхождения такова.

Когда американцы разрабатывали стандарт на бензины, автомобилисты требовали узаконить показатель RON, а нефтяники – MON. После долгих дебатов стороны пришли к компромиссному решению: пусть будет (MON + RON) / 2.

Таким образом, американский бензин А‑90 соответствует нашему АИ‑95, поскольку число 90 получено как (95 + 85) / 2.

Но что интересно: выиграли от введения октанового индекса… хитрые американские нефтяники. Ориентация на среднее дала им возможность «играть» с показателями, более эффективно используя в переработке нефти высокооктановые компоненты. Судите сами: бензин с RON = 95,3 и MON = 84,7 имеет октановый индекс 90 и у американцев проходит «на ура». У нас же стандарт непреклонен: АИ‑95 должен иметь ОЧМ не менее (!) 85 единиц – никаких тебе 84,7…

Но вернемся к детонационной стойкости, как таковой. Для ее повышения на НПЗ в бензины вводят специальные антидетонационные присадки. Сегодня ним предъявляют жесткие экологические требования – например, повсеместный отказ от ядовитых этиловых жидкостей (антидетонаторов, содержащих свинец). Иными словами, этилированный бензин на нашем рынке недопустим.

Но мало декларировать отказ от свинцовосодержащих присадок, надо подыскать им достойную замену. В качестве такой замены применяют кислородосодержащие соединения: спирты и эфиры, например метилтретбутиловый эфир (МТБЭ). Кроме того, используют азотсодержащие ароматические соединения: амины (АДА), ксилидины, а также антидетонационные присадки на основе марганца и железа.

Любопытно, что каждая присадка по-своему изменяет детонационную стойкость топлива. Например, запрещенный тетраэтилсвинец существенно уменьшает чувствительность, сближая ОЧМ и ОЧИ.

Что касается МТБЭ, то он привносит в топливо высокооктановую составляющую. Все просто: этот эфир выкипает при 55° C, т.е. находится в головной фракции топлива, а потому улучшает антидетонационные свойства легкокипящих составляющих бензина. Иными словами, он обеспечивает высокое фронтальное октановое число – именно это обусловливает его широкое применение. Однако МТБЭ имеет невысокую теплоту сгорания, и его содержание в бензине ограничивается нормой 15%.

Присадки на основе марганца или упоминавшаяся АДА относятся к высококипящим и повышают октановое число «хвостовых» фракций бензина. Словом, разработка и внедрение новых антидетонационных присадок существенно влияют на качество конечного продукта. А потому зададимся вопросом…

Что такое качественный бензин?

Ну, это же «дважды два», – воскликнет иной читатель и начнет сыпать терминами «высокооктановый», «высокосортный», «чистый», искренне считая их синонимами понятия «качественный».

Резонно спросить такого «знатока»: а что, низкооктановый бензин АИ‑80 не может быть качественным? Или высокооктановый АИ‑98 не бывает грязным?

Да и расхожее выражение «высокосортный бензин» требует уточнения. Если подходить формально, сортность – это характеристика авиационных бензинов. Она показывает, как будет вести себя двигатель, выдавая нужную мощность на богатой смеси, – например, при взлете. Чем выше сортность, тем меньше вероятность детонации на экстремальных режимах. Например, марку авиационного бензина Б‑95/130 следует расшифровывать так: в числителе октановое число по моторному методу, в знаменателе – сортность.

фото

А вот для автомобильных бензинов сортность никак не нормируется. Поэтому утверждать, что АИ‑98 является высокосортным, а, положим, А‑76 – низкосортным, неверно. Нет у этих бензинов такого показателя – «сортность», «сорт»…

И тут мы подошли к ключевому вопросу: что такое «качество»? Думаем, не ошибемся, если скажем: это соответствие требованиям, записанным в нормативной документации.

А рождаются эти требования из реалий автомобильного парка. Иными словами, каков автомобиль, таков и бензин. Так принято во всем мире, и наша страна не исключение. Хотим мы этого или не хотим, но громадная часть российского автопарка была создана под бензин А‑76 (АИ‑80). Поэтому заливать в баки ЗИЛ‑130 или ГАЗ‑53 АИ‑95 – все равно что топить печь ассигнациями: можно, конечно, но… зачем? Эти грузовики должны работать на упраздненном ныне бензине АИ‑80, но качественном, отвечающим всем требованиям ТУ.

А двигатель иномарки, созданный под АИ‑98, должен работать на качественном АИ‑98. И если ее владелец заявит: «мне нужен более качественный бензин, чем грузовику», мы ему не поверим. Как не поверим чернокожему жителю Экваториальной Африки, если тот начнет доказывать: «Эта меховая куртка не качественная – я в ней потею…». Качество меховых курток мы будем обсуждать с жителем Аляски.

Отсюда следует парадоксальный, но вполне профессиональный вывод: АИ‑80 может быть «качественнее», чем АИ‑98, если первый получен с соблюдением технологии, а последний – с ее нарушениями.

А теперь вернемся к вопросу, заданному в конце первого раздела: плохо ли, что бензины одной и той же марки от разных производителей отличаются друг от друга? Ответ будет таким: ничего страшного в этом нет, лишь бы они соответствовали нормативным документам.

«И все же, – скажет упрямый читатель, – говоря о качестве бензина, надо учитывать и отсутствие вредных примесей, и экологические требования…»

Верно, и это никак не противоречит сказанному выше. Просто надо говорить о соответствии бензинов «Требованиям Европейского союза». Иными словами, нормам Euro. Об этом – в следующем разделе.

Стандарты разные у нас…

Еще совсем недавно у нас действовал ГОСТ 2084–77. В какой-то момент из него исключили этилированный АИ‑93 – уже хорошо. И все же по нынешним временам этот стандарт безнадежно устарел. Так, он не оговаривает содержание бензола – а ведь этот ароматический углеводород очень вреден. Например, он вызывает женское бесплодие – недаром еще с советских времен запрещалось привлекать женщин к работам с бензолом.

Вопреки мнению «бензол хорошо горит» он сгорает в цилиндрах не полностью, нейтрализатор с ним тоже не справляется. В результате бензол оказывается в атмосфере. А то, что все-таки сгорает, образует бензальфапирен – сильнейший канцероген.

Действовали у нас и ТУ 38.001165–97 на экспортные бензины. Октановые числа там указывались по исследовательскому методу, но «на европейский манер», в сопровождении буквы «А» – А‑80, А‑92 и А‑96. Вот откуда появились на наших АЗС «восьмидесятый» и «девяносто второй» бензины. Кстати, для внутреннего рынка их следует именовать АИ‑80 и АИ‑92, а не А‑80 и А‑92, о чем четко и ясно сказано в тексте указанных ТУ.

фото

ТУ 38.001165–97 были «жестче» советского ГОСТа – так, массовая доля серы в бензинах уменьшена с 0,1 до 0,05%. Но сегодня эти ТУ также нельзя назвать современными.

Как известно, Россия присоединилась к программам Европейского союза, которые предусматривают существенное снижение токсичности отработавших газов. Определенным шагом в этом направлении стало внедрение Федерального стандарта ГОСТ Р 51105–97. Этилированных бензинов здесь нет вообще, а содержание бензола жестко ограничено 5%. Однако нам есть куда расти – в Японии этот показатель равен 1%.

ГОСТ Р 51105–97 вводил четыре марки топлива: «Нормаль‑80» был призван заменить бензины А‑76 и АИ‑80, «Регуляр‑91» – АИ‑91, АИ‑92 и АИ‑93, а «Премиум‑95» и «Супер‑98» – соответственно АИ‑95 и АИ‑98. Обратим внимание, что октановые числа в наименованиях бензинов указаны только по исследовательскому методу, – это поможет избежать путаницы с маркировками топлива на АЗС.

фото

Но и этого ГОСТа уже недостаточно. Правда, положение могут спасти ТУ нефтеперерабатывающих заводов. Так, бензин АИ‑98 долгое время выпускался по отраслевым ТУ. Так что крупным российским нефтяным компаниям по плечу работать по-европейски, опережая отечественные стандарты.

Бензин для… мотора

Пусть вас не удивляет этот подзаголовок – в данном разделе мы поговорим о влиянии качества топлива на состояние двигателя, в частности, на процессы загрязнения системы питания и нагарообразования. Тема эта, конечно, обширнейшая, в рамках одной статьи ей будет «тесновато» – но и обойти ее невозможно.

Как уже говорилось, сегодня во всем мире ужесточились экологические требования к автотранспорту и топливам. Понятно, что создатели автомобилей решают свои задачи: совершенствуют системы электронного впрыска, устанавливают каталитические нейтрализаторы отработавших газов. Но их беспокоит некачественное топливо: плохой бензин губит конструкторские изыски «на корню».

Одна из проблем – это образование нагара и отложений в системе питания. Конечно, бывают отложения и загрязнения, ни на что не влияющие, либо влияющие незначительно. Но есть и другие – даже в небольших количествах вызывающие заметные отклонения в работе двигателя и сбои в системе управления. Особенно страдают от них узел дроссельной заслонки, тарелки впускных клапанов и, конечно же, форсунки.

фото

Например, образование отложений в распылительной части форсунок происходит, как правило, в течение первых 10–20 минут после остановки горячего двигателя, когда форсунки находятся под остаточным давлением топлива. Дело тут вот в чем: топливная пленка, неизбежно остающаяся в зоне седла распылителя, под действием высокой температуры начинает испаряться. Легкие фракции бензина улетучиваются, а более тяжелые образуют слой твердых отложений. Отложения на тарелках впускных клапанов имеют более сложный состав – они «тяжелые», смолистые. Причина их образования та же – низкокачественное топливо.

Эти наблюдения (кстати, сделанные профессиональными диагностами) конкретизируют задачу, стоящую перед нефтяниками: топливо должно иметь «правильный» фракционный состав. А взять, например, ту же серу – продукты ее сгорания способны довольно быстро вывести каталитический нейтрализатор из строя. И нормы Euro здесь бескомпромиссны: не 0,05%, а 150 ppm, а в перспективе и вовсе 30 ppm! Кстати, добиться этого можно лишь технологически – внедрением высокоэффективной гидроочистки.

Чтобы избежать нагарообразования в камере сгорания и отложений в топливной аппаратуре, в бензине ограничивают содержание ароматических углеводородов, и в первую очередь бензола.

Но не только бензол – всю «ароматику» в бензине надлежит снижать. Но и здесь есть свои сложности: основной компонент сегодняшненго топлива – это бензин каталитического риформинга, где ароматики насчитывается до 75–80%. Дело в том, что, отказываясь от свинцовосодержащих антидетонаторов, многие НПЗ сознательно пошли на повышение ароматики – такова была «плата» за изгнание свинца при сохранении требуемого октанового числа.

Как же бороться с «ароматикой», не проигрывая в детонационной стойкости бензина? Здесь есть несколько способов. Например, некоторые НПЗ используют присадку БВД. Введение всего 1% этого препарата позволяет снизить содержание ароматических углеводородов, в частности, толуола на целых 15%! Можно вводить в топливо МТБЭ или же внедрять алкилирование и изомеризацию – вспомните начало статьи. Кстати, алкилаты и изопарафины желательны в бензине еще и потому, что не содержат серы.

Для снижения содержания оксидов азота на современных двигателях действует частичная рециркуляция отработавших газов. Это существенно повышает температуру в зоне впускных клапанов, провоцируя образование отложений. Бороться с этим можно лишь введением в бензин специальных моющих присадок, предусмотренных нормами Euro.

Чрезвычайно вреден для двигателя избыток металлосодержащих антидетонационных присадок на основе марганца и железа. Это оборачивается, в частности, шунтированием свечей, когда продукты сгорания металла выстраивают «мостик» между электродами.

фото

Надо сказать, что металлосодержащие присадки в последнее время усиленно критикуются в прессе. Но мы намеренно подчеркиваем – вредны не присадки, а их избыток. Это ведь как лекарство: малые дозы лечат, а большие – калечат. А металлосодержащие присадки применяют во всем мире, и очень успешно. Разрешены они и в России – в строго определенных концентрациях. И если иному «бодяжнику» пришло в голову «повысить октан» лошадиной дозой металлосодержащего препарата, при чем тут присадка как таковая? Разве в пересоленном супе виновата соль?

Заканчивая беседу, подведем некоторые итоги. Вопреки досужему (хотя и выстраданному) мнению, российские НПЗ сегодня выпускают хороший бензин.

Да, топливо нередко загрязняется и теряет качество на пути к потребителю. Но если вся цепочка «от скважины до АЗС» контролируется производителем, качество топлива будет обес­печено. Нашим нефтяным гигантам под силу внедрение БВД, МТБЭ, моющих присадок и высокоэффективных процессов алкилирования и изомеризации. А значит, российский прорыв по моторному топливу фактически состоялся.

Юрий Буцкий,
Вячеслав Емельянов, доктор технических наук, зав. отделом ВНИИ НП

Журнал "АБС-авто"


Масла для комтранса
Масла для легковых автомобилей
Промышленные масла
Специальные жидкости
Новости
Внимание акция! Закупай моторные и трансмиссионные масла Rosneft в таре 60л и 200л и получай бонус за каждую закупленную бочку!
Акция Rolf 4+1 стартует в понедельник, 21 апреля 2025! Выберите масло для своего автомобиля!
Выставка Нефтегаз-2025 стартует в понедельник
Новая акция Sintec 4+1: выиграй тур на Камчатку!
2025_04_02: изменения в ассортименте Мобил
Блог
Будущее сейсмических технологий в руках ExxonMobil
Результаты Московского полумарафона 27 апреля 2025
ExxonMobil развивает программы здоровой жизни Be Well
Продукты ExxonMobil создают транспорт будущего!
Глобальный прогноз ExxonMobil на развитие мира до 2050 года
Про масло
Что такое гидравлические масла и где они применяются
Какое моторное масло лучше заливать зимой
Моторное масло 5W-30 и 5W-40 — в чём разница?
Вязкость моторного масла: что такое и как правильно подобрать
Моторные масла для автомобилей с пробегом и их особенности