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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
