«Таємниці» автомобільного бензину

0

Анатолій Окоча, Олександр Лавріненко, канд. техн. наук, доценти, НУБіП України

 

Останнім часом не лише у пресі, а й на рівні уряду, дедалі частіше постає питання щодо якості автомобільного палива в Україні, особливо бензину. Фахівці стверджують, що третина автомобільного бензину неякісна. Чому саме автомобільний бензин найчастіше стає об’єктом підробок – розглянемо нижче.

Сучасні вітчизняні товарні автомобільні бензини зазвичай виготовляють змішуючи компоненти, одержані шляхом прямої перегонки, каталітичного крекінгу і риформінгу, коксування, алкілування, полімеризації, ізомеризації та інших процесів переробки нафти й газу.

Довідка

Автомобільний бензин (із хімічної точки зору) – летка, горюча суміш ароматичних, нафтенових, парафінових вуглеводнів та їхніх похідних із числом атомів вуглецю від 5 до 10, із середньою молекулярною масою близько 100. Також до складу бензину можуть входити сірко-, азот- і кисневмісні сполуки. Легкозаймиста, без кольору або жовтувата (коли без спеціальних добавок) рідина, із температурою кипіння від 30 до 215°С. Густина за температури 20°С – у межах 700 – 750 кг/м3, нижча теплота згоряння – у межах 440 – 460 МДж/кг.

таб

Якість і співвідношення компонентів у товарних автомобільних бензинах значно різняться й залежать від сировини, можливостей підприємства та застосовуваної технології. Товарні бензини аналогічних марок, але виготовлені на різних нафтопереробних заводах, можуть відрізнятися фракційним і компонентним складом, що пов’язано з різницею у сировині й технологічних процесах. Навіть бензини однакових марок, виготовлені одним заводом у різний період, можуть мати різний компонентний склад через проведення регламентних робіт на конкретних технологічних установках, зміни програми заводу щодо випуску продукції й складу сировини.

Базовими компонентами для виготовлення автомобільних бензинів є суміші бензинів каталітичного риформінгу та крекінгу. Бензини каталітичного риформінгу (бензин-риформат, reformate, каталітичний риформат) мають низький вміст сірки. У їхньому складі практично немає ненасичених вуглеводнів (алкени, олефіни), тому вони стабільні під час зберігання. Однак ці бензини містять підвищену кількість ароматичних вуглеводнів, що з екологічної точки зору є обмежувальним фактором. Крім того, вони нерівномірно розподіляють детонаційну стійкість між фракціями.

Бензини каталітичного крекінгу (крекінг-бензин, catalytical cracked gasoline) мають високе октанове число. В середньому вони містять 30 – 40% ароматичних вуглеводнів і 10 – 25% олефінів. Мають відносно високу хімічну стабільність, порівняно з бензинами каталітичного риформінгу, для них характерне рівномірніше розподілення детонаційної стійкості між фракціями.

Бензин прямої перегонки (прямогонний, straight run gasoline) – фракції прямої перегонки нафти з інтервалом кипіння 35 – 180°С, причому 80% википає в інтервалі 80 – 160°С. Зазвичай такий бензин містить багато парафінових вуглеводнів із низькою детонаційною стійкістю.

Алкілбензин (алкілат) – суміш насичених вуглеводнів (практично повністю ізопарафіни) із температурою кипіння 40 180°С, густиною за температури 20°С в межах 698 715 кг/м3 та октановим числом за моторним методом 90 95. Ідеальний компонент автомобільних бензинів, оскільки має високу детонаційну стійкість, низький тиск насиченої пари, не містить ароматичних сполук, олефінів і сірки.

Газовий бензин (natural gasoline) – низькокиплячий рідкий нафтовий продукт, який одержують із природних і супутніх нафтових газів. За хімічним складом він подібний до бензину прямої перегонки, але містить більше легких фракцій. У результаті видалення пропану отримують стабільний газовий бензин. Виробляють переважно на газопереробних заводах.

Бензин піролізу (pyrolis gasoline) отримують під час виробництва етилену. Це високооктановий компонент товарних автомобільних бензинів, проте його застосування обмежене через високу концентрацію олефінів, вміст яких в автомобільних бензинах має бути менше 25%.

Ароматичні вуглеводні (бензол, толуол, ксилол) мають високу детонаційну стійкість і зазвичай їх використовують як високооктанові компоненти бензинів. Однак підвищення вмісту ароматичних вуглеводнів у бензині здебільшого призводить до посиленого нагароутворення й відкладання сажі на деталях кривошипно-шатунного і газорозподільного механізмів, у результаті чого погіршується паливна економічність, знижується потужність, підвищується вміст шкідливих речовин у відпрацьованих газах, особливо це стосується бензолу.

МТБЕ (метил-трет-бутиловий ефір) легкозаймиста, безбарвна, нетоксична рідина із різким специфічним запахом. Температура кипіння – 48 55°С, густина за 20°С у межах 740 750 кг/м3, октанове число ОЧД у межах 115 135 одиниць. Додавання до складу бензину 10 15% МТБЕ підвищує його октанове число приблизно на 6 12 од. Недолік МТБЕ висока леткість і тому у спекотну погоду може випаровуватися із бензину, знижуючи його детонаційну стійкість.

Компонентний склад бензинів

Компонентний склад європейських бензинів останніми роками містить: бензин каталітичного крекінгу – 30%, бензин каталітичного риформінгу – 50%, продукти: алкілування – 5%, ізомеризації – 8%, добавки (ефіри, спирти) – 7%. Серед європейських нафтопереробних заводів найвдаліший компонентний склад бензинів виготовляють у Німеччині: бензин каталітичного крекінгу і каталітичного риформінгу – 73,4%, алкілат – 5,1%, ізомеризат – 16,2%, добавки (спирти, ефіри) – 5,3%.

Бензини мають відповідати всім основним вимогам до будь-якого палива і навіть деяким специфічним: мати добрі сумішоутворювальні властивості та високу детонаційну стійкість під час роботи двигуна у різних експлуатаційних умовах.

На сумішоутворювальні властивості бензину насамперед впливає його фракційний склад, від якого залежать такі показники роботи двигуна: легкість пуску, швидкість його прогрівання та прийомистість (інтенсивність розгону завантаженого автомобіля після різкого відкриття дросельної заслінки), стійкість роботи на малих обертах колінчастого вала, інтенсивність та повнота згоряння робочої суміші.

Фракційний склад бензинів визначають перегонкою на спеціальному приладі, при цьому фіксують температуру початку перегонки, температуру випаровування 10, 50, 90% і кінця кипіння або об’єм випаровування за 70, 100 і 150°С, температуру кінця перегонки, об’єм залишку у колбі (%). Вимоги до фракційного складу бензинів визначаються конструкцією автомобільного двигуна і кліматичними умовами його експлуатації.

За температурою початку перегонки прийнято робити висновок щодо наявності у бензині найлегших фракцій, а за температурою перегонки 10% – про приблизний їх вміст та пускові властивості, а також схильність до утворення парових пробок у системі живлення двигуна. Альтернативно пускові властивості пов’язують із об’ємною часткою бензину (%), що переганяється за температури 70°С. Температура перегонки 50% палива характеризує його головну робочу фракцію, яка впливає на прийомистість, прогрівання і стійкість роботи двигуна. Альтернативно ці показники оцінюються об’ємною часткою бензину, що переганяється за температури 100°С. За температурою перегонки 90% і кінця перегонки проводять висновок щодо наявності важких фракцій палива і повноту його згоряння. Збільшення кількості важких фракцій у складі бензину може призвести до змивання зі стінок циліндрів оливи, а отже, до збільшення спрацювання деталей двигуна, розрідження оливи, підвищення витрати палива.

Одним із головних показників, що визначають марку і співвідношення компонентів у товарних бензинах, є їх детонаційна стійкість, яка нормується октановим числом.

Довідка

Октанове число (ОЧ) чисельно дорівнює вмісту (% за об’ємом) ізооктану (октанове число якого прийнято за 100) в його суміші з нормальним гептаном (октанове число дорівнює 0), при якому ця суміш еквівалентна за детонаційною стійкістю досліджуваному паливу за стандартних умов його випробування. Що більше октанове число, то вища детонаційна стійкість палива.

Октанове число визначається найчастіше двома методами: моторним (ОЧМ) і дослідним (ОЧД). Ці методи різняться лише умовами проведення випробувань. Октанове число, отримане моторним методом, більшою мірою характеризує детонаційну стійкість палива за експлуатації автомобіля в умовах підвищеного теплового форсованого режиму. Октанове число, отримане дослідним методом, здебільшого характеризує бензин під час роботи за часткових навантаженнях в умовах міської їзди, тому ОЧМ менше ОЧД. Різницю між ОЧ бензину, визначеними двома методами, називають чутливістю бензину. Найчутливішими (9 – 12 од.) вважають бензини каталітичного крекінгу й риформінгу, менш чутливі до режиму роботи (1 – 2 од.) – алкілбензин і прямогонні бензини.

Детонаційна стійкість автомобільних бензинів залежить від їхнього вуглеводневого складу. Октанове число вуглеводнів знижується в такому порядку: ароматичні > ізопарафіни > олефіни > нафтени > н-парафіни.

Підвищувати детонаційну стійкість бензину можна декількома способами: використанням бензинів каталітичного крекінгу і риформінгу; додаванням до базових бензинів високооктанових компонентів, таких як ізооктан, алкілбензин, кисневмісних компонентів (оксигенати) та ін., які мають ОЧМ близько 100 од.; додаванням антидетонаторів – адитивів (присадок), які за незначної концентрації у паливі (десяті частки грама на 1 кг палива) суттєво підвищують його детонаційну стійкість.

Оксигенати (кисневмісні компоненти – загальна назва нижчих спиртів і простих ефірів) мають високу детонаційну стійкість, що дає змогу замінити ними ароматичні вуглеводні, підвищити ОЧ бензину, особливо легких фракцій, повноту його згоряння, знизити витрату палива та зменшити токсичність відпрацьованих газів. Рекомендована концентрація оксигенатів у бензинах – 3 – 15% і її розраховують так, аби загальний вміст кисню у паливі не перевищував 2,7%, оскільки за більшої концентрації кисню підвищується масова й питома витрата палива через меншу теплоту їхнього згоряння, а також втрачається потужності двигуна.

Антидетонатори. Сполуки марганцю: ЦТМ (циклопентадієнілтрикарбонілмарганець) і МЦТМ (метилциклопентадієнілтрикарбонілмарганець). Вони мало відрізняються між собою за експлуатаційними властивостями і мають практично однакову ефективність. Їх застосування обмежується вимогами екологічності та розкладанням на світлі, що знижує детонаційну стійкість бензину.

Сполуки заліза: фероцен – найефективніший представник групи антидетонаторів. Однак концентрацію його знижують через утворення оксиду заліза, який призводить до «іржавого» нагару у циліндрах, спричинює вихід з ладу свічок запалювання та підвищує схильність бензину до смолоутворення.

Які компоненти використовують для фальсифікації автомобільного бензину, і чим це небезпечно для двигуна – у наступному матеріалі.