Октан-корректоры (бустеры)

 

Автомобильные товарные бензины производятся пу­тем смешения различных компонентов, полученных пря­мой перегонкой, крекингом, риформингом, коксовани­ем, алкилированием и другими методами переработки нефти и нефтяных фракций.

Для автомобильных бензинов одним из значимых эксплуатационных свойств является горючесть, которая определяется энергетическими свойствами и детонаци­онной стойкостью, характеризуемой октановым числом (табл. 19). Коэффициент весомости горючести в инте­гральном показателе качества бензина равняется 0,26, энергетические свойства составляют 0,42, а детонацион­ная стойкость — 0,58. При этом удельная теплота сгора­ния любого углеводородного топлива не превышает 44 МДж/кг.

Таблица 19 Октановое число основных марок бензина
Марка бензина	ГОСТ или ТУ	Октановое число
моторный метод	исследовательский метод
А-72	ГОСТ 2084-77		не нормируется
А-76	ГОСТ 2084-77		не нормируется
А-80	ТУ38.001165-87
Аи-91	ТУ38.1011225-89	82,5
А-92	ТУ38.001165-87
Аи-93	ГОСТ 2084-77
Аи-95	ГОСТ 2084-77
Аи-98	ГОСТ 2084-77

Бензины, полученные каталитическим крекингом и ри-формингом, имеют высокое октановое число (до 95 ед. по исследовательскому методу). К высокооктановым компо­нентам бензинов относятся изооктан, алкилбензин, то­луол, изопентан.

Высокая детонационная стойкость бензина может быть обеспечена уже на нефтеперегонном заводе за счет использования в качестве базовых бензинов наиболее вы­сокооктановых вторичных продуктов переработки нефти или увеличения их доли в товарных бензинах, но это приведет к повышению себестоимости производства. Пол­ностью соответствующий нормативам бензин А-95 у нас в стране практически не выпускается, поэтому произво­дители бензинов в большинстве случаев идут путем вве­дения дополнительных высокооктановых компонентов, вовлекаемых в товарные бензины, и применения антиде­тонационных присадок (табл. 20 и рис. 27). При добавле­нии 15—40% высокооктановых компонентов к базовым сортам топлива получают бензины с более высокой дето­национной стойкостью

Таблица 20

Антидетонационные присадки и добавки к автомобильным бензинам

 

ноимвновонив	Допустимая концентрация
Ферроцены
«ФеРОЗ»	До 0,02%
АПК	До 0,3%
«Феррада»	До 1,3%
МАФ	До 3,5%
«Октан-Максимум»	До 37 мг Fe/л
Марганцевые антидетонаторы
«Хайтек-3000»	До 50 мг Мп/л
Метил-ЦМТ (метил-циклопента-диенилтрикарбонил)	До 50 мг Мп/л
Анилиновые (ОЧИ = 280 - 320)
«АВТОЭМ Б»	До 0,5 % Мп, 90,5 % монометил-анилина (ММА)
Беззольная высокооктановая добавка (БВД)	30% кислородосодержащих соединений, 70% ММА
«Биодэн»	35% кислородосодержащих соединений, 65% ММА
«Марка А»	90% кислородосодержащих соединений, 8,5% ММА
Спирто- и эфирсодержащие (ОЧИ = 135-140)
Метил-трет-бутиловый эфир (МТБЭ)	10-15%
Этанол	5-10% (Бензины Е-5, Е-7, Е-10)
Метанол	5-10%
Изобутиловый спирт	5-10%

 

Высокооктановые добавки

спиртовые ^;

анилиновые офирсодержацие

нитрометановые

Рис. 27. Классификация октан-корректоров (бустеров)

Данный вид топливных присадок основан на изобути-лене и одноатомных спиртах нормального и изостроения. Их синтез осуществляется на цеолитсодержащих алюмо­силикатах. Получаемая композиция топлива состоит из бензиновой базы каталитического крекинга и 10% добавки.

Все чаще для производства неэтилированного бензи­на с низкой упругостью паров по Рейду (давлением насы­щенных паров) и низким содержанием вредных веществ в отработавших газах находят применение различные эфи-ры, например алкиловые — метил-третбутиловый эфир (МТБЭ), этил-трет-бутиловый эфир (ЭТБЭ) и др. Меж­дународный нефтехимический концерн Shell выпускает экологически чистый бензин, содержащий 5,5% МТБЭ, углеводородную основу и моющую присадку, а энергети­ческая корпорация Chevron (США) предложила добавлять в базовый бензин 4—15% (в объемных долях) алкилата, представляющего собой смесь 40—60% МТБЭ, 20—30% изо-пропилового спирта и 20-30% метанола (МеОН). В этом случае удалось повысить октановое число до 129 пунктов по исследовательскому методу и до 117 — по моторному. На основании полученных исследований в настоящее время ведется разработка экологически чистого бензина, включающего использование МТБЭ как основного ком­понента в производстве бензина с высоким октановым числом Однако производство МТБЭ будут сокращать, хотя он без следа сгорает в двигателе и может причинить вред здоровью только в случае непосредственного попадания в организм человека. Дело в том, что МТБЭ легко прони­кает в грунтовые воды и имеет неприятный запах. Он об­наружен в малых количествах во многих источниках во­доснабжения.

Также при производстве бензинов применяется метод получения метил-трет-С4-С5-алкиловых эфиров как ком­понента высокооктанового бензина. Синтез осуществля­ется за счет реакции МеОН с соответствующим изоолефи-ном при молекулярном соотношении (0,3—0,5): 1 в прямо­точном реакторе при 40—800 °С и давлении 0,5—0,7 МПа.

Кислородсодержащими высокооктановыми присадка­ми являются также этиловый и метиловый спирты (этанол и метанол). Они обладают хорошей стабильностью. Топли­во на основе этанола содержит 85—95% (в объемных долях) МеОН, 3-15% (в объемных долях) воды, 0,0005-0,0010% солей щелочных металлов, 0,01—0,05% фтористых поверх­ностно-активных веществ (ПАВ) и красителя.

Метанол и этанол в ряде стран уже давно используют­ся в качестве моторного топлива (перспективы примене­ния и способы синтеза жидкого топлива на их основе — см. ниже).

Повышение эксплуатационных свойств различных ви­дов топлива может быть достигнуто путем введения раз­личных металлсодержащих антидетонаторов. При этом боль­шое значение имеет дисперсность частиц металла: чем они меньше, тем эффективнее их применение, что открывает широкие перспективы использования, металлических на-номатериалов в качестве добавок к различным видам топлива. Полезный эффект достигается также при при­менении в составе добавок современных моющих ком­понентов, химических нанокатализаторов и регуляторов горения топлива. Чаще используют многокомпонентные композиции, при этом каждый компонент выполняет свою функцию. Известно, что для полного сгорания 1,0 кг бензина требуется 14,8 кг воздуха (окислителя), а для полного сго­рания 1,0 кг дизтоплива — 14,3 кг воздуха. Такое соотно­шение топлива и воздуха называют стехиометрическым. Состав топливно-воздушной смеси (ТВС) определяется коэффициентом избытка воздуха а, который равен отно­шению массы воздуха, поданного в цилиндр на такте впуска, к массе воздуха, теоретически необходимой для полного сгорания поданного в цилиндр топлива.

При нормальных условиях сгорание бензиновой ТВС происходит в диапазоне изменения а = 0,8-1,1. У дизель­ных двигателей верхнего предела коэффициента избытка воздуха нет, а нижний предел лежит в области 1,6. Изме­нение коэффициента в сторону увеличения называется «обеднением» ТВС, а в сторону уменьшения — «обогаще­нием» ТВС.

У нормально работающей свечи юбка центрального электрода светло-коричневая. Количество нагара и отло­жений на электродах в этом случае минимально, следы моторного масла отсутствуют. Все это говорит о нормаль­ной работе данного цилиндра, экономичном расходе топ­лива и отсутствии выгорания масла с картера двигателя.

Если цвет центрального электрода — от светло-серого до белого, это указывает на работу двигателя на «бедной» ТВС. Эксплуатация двигателя в таких условиях может стать причиной значительного перегрева свечи и возможного ее оплавления. Это указывает также на перегрев камеры сгорания, что в дальнейшем может привести к прогару выпускных клапанов.

Обнаружение на центральном электроде бархатисто-черного нагара указывает на «богатую» ТВС, что может являться следствием неправильной регулировки карбю­ратора (в карбюраторном двигателе) или неисправности инжектора (во впрысковом двигателе), а также засорения воздушного фильтра. В первом случае необходимо отре­гулировать карбюратор или проверить работу инжектора, а во втором — заменить воздушный фильтр Если на центральном электроде свечи обнаружен крас­ный (кирпичного цвета) налет, в бензине, которым вы заправляетесь, повышенное содержание железосодержа­щих (ферроценов и их производных) или марганецсодер-жащих антидетонационных добавок.

Ферроцен — это железоорганическое соединение, в молекуле которого атом железа связан сразу со всеми атомами углерода. Он хорошо растворим в органических растворителях, термически стабилен.

Регулирование процесса горения соединениями фер­роцена основано на образовании каталитически активных частиц при разложении «сэндвичевой» системы ферроцена (нуль-валентного железа, а-оксида железа, органических радикалов), что способствует дополнительному разветв­лению цепных реакций горения и окислению молекул топлива атомарным кислородом. Из присадок к топливу на базе ферроценов наиболее известны ФК-4, ДАФ, ДАФ-2 и «ФеРОЗ», разработанные на Ачинском нефтеперераба­тывающем заводе.

Однако применение этих железосодержащих антиде­тонационных добавок к бензинам ограничивается кон­центрацией, соответствующей содержанию железа менее 37 мг/л. Более высокие концентрации приводят к износу деталей двигателя и снижению работоспособности свечей зажигания. На электродах свечей образуются соединения оксидов железа. Красный налет — это соединения железа (то есть токопроводящего материала). Результаты контро­ля качества бензина часто свидетельствуют о превышении допустимой концентрации. Это делается с целью увели­чения октанового числа бензина в ущерб другим эксплуа­тационным качествам. Когда слой (нагар) данного метал­ла достигнет определенных величин, свечи перестанут нормально работать, поскольку произойдет пробой изо­лятора. При этом следует отметить, что токопроводящие соединения с помощью омметра при комнатной темпера­туре не фиксируются, так как дорожки из чистого железа, образующиеся на изоляторах при высоких температурах при выключенном двигателе быстро окисляются, и омметр указывает, что свечи исправны.

Длительное время наиболее популярными антиде­тонаторами в нашей стране являлись тетраэтилсвинец РЬ(С₂Н₅)₄ или тетраметилсвинец РЬ(СН₃)₄. Их действие заключается в обрыве цепных реакций с получением сво­бодных активных радикалов.

Свободные радикалы имитируют окисление углеводо­родов, обычно стабильных в отсутствии тетраэтилсвинца. Образующиеся гидроперекиси способствуют более мягко­му горению. Тем самым предотвращается или значитель­но снижается детонационное сгорание рабочей смеси. Однако одновременно формируется ряд оксидов, кото­рые, выходя с отработавшими газами, наносят большой вред экологической среде, так как свинец и его соедине­ния являются канцерогенными веществами.

В чистом виде тетраэтил- и тетраметилсвинец не при­меняют, поскольку они вызывают освинцовывание дета­лей двигателя, то есть происходит отложение продуктов сгорания (свинца и его оксидов) в камере сгорания, на днище поршня, клапанах, свечах и др., что может при­вести к отказу двигателя.

Тетраэтилсвинец (тетраметилсвинец) добавляется в бензин в виде этиловой (метиловой) жидкости, в состав которой, кроме этой присадки, входят выноситель, анти­окислитель, наполнитель и краситель.

Этиловая жидкость — бесцветная, маслянистая, плот­ностью 1650 кг/м³. Она нерастворима в воде, но раство­рима в бензине и органических растворителях, кипит с разложением при температуре 200 °С, легко воспламеня­ется и горит. Бензины, в которые добавлена этиловая жидкость, называют этилированными.

Для этилирования бензина используют этиловые жид­кости марок Р-9 и П-2, которые различаются выносите-лем. Содержание тетраэтилсвинца в этиловых жидкостях составляет 54—58%, выносителя — 33—35%, остальное — наполнитель (авиационный бензин Б-70). Выноситель до бавляют для удержания соединений свинца в газообраз­ном состоянии. В качестве выносителя свинца использу­ют органические галлоидные соединения углеводородов (бромистый этил, монохлорнафталин, дибромэтан).

Присадки, содержащие свинец, обладают наибольшей токсичностью, которая с ростом эффективности только увеличивается. В связи с высокой токсичностью отрабо­тавших газов автомобилей на этилированных бензинах, применение последних в крупных городах с интенсивным автомобильным движением и в курортных зонах России запрещено.

В перспективе планируется полный переход на про­изводство и применение только неэтилированных бензи­нов. По ТУ 38.401-58-285—01 промышленность выпускает противоизносную присадку для неэтилированного бен­зина, предназначенную для защиты седла клапана двига­теля от износа.

В качестве альтернативы этиловой жидкости и ферро­ценов для повышения детонационной стойкости бензи­нов также используют соединения марганца, магния, меди и других металлов с высоким энергетическим потенциа­лом (табл. 21).

Таблица 21

Энергетический потенциал металлов, применяемых в октан-корректорах

 

Металл	Потенциал ионизации, ЭВ	Металл	Потенциал ионизации, эВ
Калий	4,34	Свинец	7,42
Натрий	5,14	Марганец	7,43
Барий	5,21	Никель	7,63
Литий	5,39	Магний	7,64
Кальций	6,11	Медь	7,72
Хром	6,76	Кобальт	7,86
Молибден	7,20	Железо	7,87
Олово	7,31	Цинк	9,39

Антидетонационные присадки, содержащие спирты изостроения, при производстве бензинов применяются в России на нефтеперерабатывающем заводе в Литвинове. Используется два основных компонента: продукты рифор­минга и продукты спиртов изостроения, дополненные обработанным после риформинга бензином из процесса гидрокрекинга вакуумного дистиллята нефти

Известны также марганцевые соединения, приме­няющиеся для этих целей, например «Хайтек-3000» и ме-тил-ЦМТ (метил-циклопентадиенилтрикарбонил), раз­работанные российской нефтяной компанией «Лукойл». Отложения от них менее стойки и могут быть удалены обыкновенными очистителями.

К недостаткам медьсодержащих присадок следует от­нести склонность к образованию отложений в двигателе, поскольку их производные окисляют компоненты топли­ва и загрязняют оксидами агрегаты топливной системы.

Для металлсодержащих присадок, используемых в раз­личных видах бензинового и дизельного топлива, подби­раются соответствующие гели-растворители, которые обес­печивают полное смешивание компонентов.

В России и за рубежом при производстве высокоокта­новых бензинов широко применяют добавки на основе n-метиланилина (например, монометиланилин (ММА), АДА и экстралин, разработанные на Комсомольском и Ачинском нефтеперерабатывающих заводах).

Во время Второй мировой Ьойны немецкие истребите­ли Messerschmitt Bf.lO9E-7/Z стали первыми самолетами, оснащенными системой форсажа, необходимого для крат­ковременного достижения максимальной тяги, который обеспечивался благодаря применению закиси азота (N₂O) — бесцветного газа со слабым приятным запахом и сладко­ватым привкусом (известного как «веселящий газ»). Бо­лее 150 лет он используется в медицине в качестве нарко­за (впервые был получен английским химиком Джозефом Пресли). При длительном вдыхании закись азота вызыва­ет чувство эйфории и веселья, которые переходят в тош­ноту и дезориентацию.

Известно, что в цилиндре двигателя сгорает не чистое топливо, а топливно-воздушная смесь. Для горения бен­зина необходим окислитель (кислород). Так вот, при тем­пературе 300 °С закись азота разлагается на азот и кисло­род. При этом выделяется в 2,5 раза больше кислорода, чем содержится в том же объеме подаваемого в камеру сгорания воздуха. Это позволяет существенно увеличить количество высвобождаемой энергии, а следовательно развиваемую двигателем мощность. Применение закиси азота может дать прирост мощности до 30%.

В авиации, с приходом реактивных двигателей, надоб­ность в подобных системах отпала. Впрочем, еще долгое время после Второй мировой войны система форсажа оставались государственной тайной. Только с 1970 года закись азота стала применяться в гоночных автомобилях. Она выпускалась в стационарных баллончиках, а те, в свою очередь, устанавливались на автомобиль в качестве до­полнительной системы питания двигателя.

В условиях высоких нагрузок и скоростей гоночных трасс эти и другие подобные препараты проходили ин­тенсивные эксплуатационные испытания, а затем, если показывали хорошие результаты, попадали в розничную торговлю для широкой продажи уже в качестве профи­лактических или автотюнинговых средств.

Примером такой разработки может служить серия лю­бительских препаратов под торговой маркой NOS (Nitrous Oxide Systems), выпускаемых американской химической компанией Permatex Inc. Составы содержат новейшие раз­работки на основе соединений азота: Nitrometan (нитро-метан) и Powertane (закись азота).

Октан-корректоры (табл. 22) рекомендуется иметь в хим-мотологической аптечке автомобиля и применять в качест­ве профилактического средства для двигателя и топливной системы через 3—5 тыс. км, а также в случае возможного применения топлива ненадлежащего качества или при под­готовке автомобиля к техническому осмотру.

Таблица 22

Характеристики октан-корректоров бензина

 

Препарат	Фирма-производитель, страна	Назначение
«Октан плюс»	НПП «Астро-хим», Россия	Повышение октанового числа на 3-5 ед., устранение шумов и детонации, снижение расхода топлива и токсичности выхлопа, продление срока службы цилин-дропоршневой группы

Продолжение табл. 22

Препарат	Фирма-производитель, страна	Назначение
«Октан плюс»	НПО «Поликом» (торговая мар­ка LAVR next), Россия	Восстановление детонационных свойств бензина, нормализация процесса горения, повышение мощности двигателя, снижение токсичности выхлопа
Нанотюнинг топлива Street Racing	НПФ «Лабора­тория трибо-технологии», Россия	Увеличение мощности двигателя и динамики автомобиля, сниже­ние расхода топлива и токсично­сти выхлопа, стабилизация рабо­ты двигателя
Усилитель мощности Energy	Химический концерн «ХАДО» (тор­говая марка Verylube), Украина	Повышение мощности двигателя, энергоотдачи топлива и сниже­ние вредных выбросов
Octane Boost & Cleaner	Hi-Gear Products Inc., США	Увеличение октанового число на 5-6 ед., устранение детона­ции, снижение расхода топлива и токсичности выхлопа
Super Octane Treatment	JetGo Auto Products, США	Повышение октанового числа на 4-6 ед.
NOS® Octane Booster Racing Formula	Permatex Inc., США	Повышение октанового числа на 7 ед., увеличение мощности, очистка и смазывание топливной системы
Speed Benzin-Zusatz	Liqui Moly GmbH, Германия	Повышение качества бензина за счет повышения антикорро­зионных и очищающих свойств двигателей с непосредственным впрыском топлива (CDI, FSI и др.)
Speed Tec	Liqui Moly GmbH, Германия	Повышение мощности и крутя­щего момента двигателя за счет более активного сгорания, обеспечение моющих свойств топлива
Additif Pour Essense	Energie 3000, Франция	Повышение октанового числа бензина, обеспечение стабиль­ной работы двигателя

Содержимое флакона заливается в почти пустой бак перед полной заправкой топливом. При этом октан-кор­ректор бензина в режиме интенсивного городского дви­жения (в области невысоких частот вращения коленча­того вала двигателя и нагрузок, при которых двигатель работает 70—90% времени) способствует увеличению эф­фективности горения топлива и крутящего момента дви­гателя, а также снижению расхода топлива (до 12%), ста­билизации холостого хода и снижению токсичности от­работавших газов.

При относительно низких частотах вращения колен­чатого вала двигателя (до 2500—3000 мин"¹ в диапазоне нагрузок 0,28—0,80 МПа) снижение удельного эффектив­ного расхода топлива достигает 3—12% при одновремен­ном уменьшении выбросов углеводородов (СН) на 6-70% и оксида углерода (СО) — на 5—80%. На повышенных скоростных режимах работы двигателя (более 3500 мин"¹) и при полностью открытой дроссельной заслонке влия­ние препарата на энерго-экономические показатели дви­гателя незначительно. Однако на этих режимах получено снижение эмиссии углеводородов на 50% и более.

В связи с особенностями действия препарата на про­цесс горения можно прогнозировать наибольшую его эф­фективность в условиях городского движения, где необ­ходимы частые ускорения автомобиля.

Графическое изображение технической эффективно­сти автохимической тюнинговой обработки представлено на рис. 28. Необходимость проведения подобной обработ­ки чаще всего продиктована не столько низкими свойст­вами применяемого топлива или состоянием двигателя, сколько преобладанием скоростного движения в услови­ях города, повышением мощности двигателя при спор­тивном стиле езды и т. д. Удлинение или сохранение межремонтного ресурса двигателя и автомобиля в этих случаях чаще всего не является обязательным требова­нием, поэтому показанием к такой обработке служит не техническое состояние двигателя или автомобиля в це­лом, а субъективные факторы. В связи с этим автохими

Рис. 28. Графическая иллюстрация автохимического тюнинга автомобиля:

И/отк ~ показатель наступления неработоспособного состояния (отказа) объекта; И/_т — показатель объекта после одноразового автохимического

тюнинга; AW — эффективность автохимического тюнинга; 7т — точка

проведения операций автохимического тюнинга; Г_тр — межремонтный

ресурс двигателя после автохимического тюнинга

ческий тюнинг осуществляется задолго до наступления состояния, характеризующегося положением W_0TK — по­казателем отказа (при котором объект становится нера­ботоспособным).

Так, по данным А. Ю. Шабанова, специалиста Санкт-Петербургского государственного политехнического уни­верситета, простым химическим антифрикционным тю­нингом двигателя можно получить результат, сравнимый по величине с эффектом от использования стандартных процедур спортивной доводки двигателя — доработки ка­налов головки блока цилиндров, замены фаз газораспре­деления и т. д. Антифрикционная доработка, проводимая параллельно с классическим тюнингом, отлично работает на снижение механических потерь в двигателе.

Лабораторные исследования и эксплуатационные ис­пытания различных октан-корректоров, проведенные ря­дом авторов, показали, что применение октан-корректо­ров позволяет повысить октановое число топлива до 7 ед., увеличить мощность двигателя на 5—7 кВт, а крутящий

момент — на 10—15 Нмм. Все это дает возможность ис­пользовать такие препараты безразборного сервиса, как высокоэффективные любительские средства автохимиче­ского тюнинга автомобиля.

Эффективность мероприятий автохимического тюнин­га зависит также от начального технического состояния автомобиля, применяемого препарата, технологии введе­ния добавок, качества проведения ремонтно-восстанови-тельных работ и т. п.

Следует иметь в виду, что химический состав высоко­октановых бензинов, поступающих в продажу и соответ­ствующих отечественным стандартам, не обеспечивает сохранения их потребительских свойств в течение дли­тельного срока хранения. В частности, октановое число таких бензинов постепенно снижается. А, например, бен­зины с ферроценовыми добавками крайне нестабильны (после суток хранения начинается их выпадение в оса­док). Кстати говоря, наибольшая вероятность заправить­ся таким бензином существует в пятницу или предпразд­ничные дни, когда наблюдается наибольший спрос, чем и пользуются некоторые фирмы. Особенно это касается областных контейнерных заправок, имеющих малые объ­емы продажи топлива и выживающих за счет относитель­но низкой цены.

Если вы всегда заправляетесь на одной или несколь­ких конкретных АЗС, лучше подыскать более добросо­вестную фирму (владельца автозаправочной станции). При этом нет гарантии, что на другой заправке вы не столкнетесь с теми же проблемами, так как данное явле­ние получило достаточно широкое распространение (осо­бенно в Москве и Подмосковье).