Бензины представляют собой сложные смеси углеводородов, преимущественно в диапазоне от C3 до C10, которые используются в качестве жидкого топлива для карбюраторных двигателей внутреннего сгорания. Их температура кипения составляет 40–200 °C для автомобильных и 40–180 °C для авиационных бензинов. В 2009 году мировое потребление этого топлива достигло примерно 975 миллионов тонн, что составило около четверти всей добытой нефти. На долю США пришлось около 40% этого объёма, а страны Западной и Восточной Европы (включая СНГ) потребили 17,5% и 5,4% соответственно.
Марки бензина и детонационная стойкость
Нефтеперерабатывающие заводы (НПЗ) производят широкий ассортимент бензинов. Ранее это были авиационные марки (Б-91/115, Б-95/130, Б-92) и автомобильные (А-76, А-80, А-92, Аи-93, Аи-95, Аи-98). Сегодня требования к двигателям и топливам, как и их ассортимент, быстро меняются. Ключевой характеристикой топлива является его детонационная стойкость — способность сгорать без детонации. Детонация — это аномальный процесс горения топливовоздушной смеси в цилиндре двигателя.
При нормальном сгорании фронт пламени распространяется от точки зажигания со скоростью 20–30 м/с. При детонации, помимо этого, возникают множественные очаги самовоспламенения (микровзрывы) из-за образования неустойчивых пероксидных соединений. Ударные волны от этих микровзрывов, распространяясь со скоростью до 200 м/с, многократно отражаются от стенок камеры сгорания, создавая характерный металлический стук. Склонность к детонации зависит от химического состава топлива: наиболее устойчивы ароматические углеводороды, далее идут изоалканы, нафтены, олефины, а наименее стойки — нормальные алканы.
Октановое число и методы его определения
Количественной мерой детонационной стойкости служит октановое число (ОЧ). Оно определяется по условной шкале, где 100 единиц соответствует стойкости изооктана, а 0 — нормального гептана. Октановое число испытуемого бензина равно процентному содержанию изооктана в такой эталонной смеси с гептаном, которая детонирует с той же интенсивностью.
Существует несколько стандартных методов определения ОЧ:
- Исследовательский метод (ОЧи): Испытания проводятся на одноцилиндровой установке УИТ-65 при 600 об/мин, что моделирует мягкие условия работы двигателя.
- Моторный метод (ОЧм): Используется та же установка, но при 900 об/мин, что имитирует форсированный режим с повышенной нагрузкой.
ОЧи, как правило, на 2–12 пунктов выше ОЧм. Эта разница называется чувствительностью бензина. Чем она больше, тем лучше топливо противостоит детонации при изменяющихся режимах работы двигателя. Часто используется также дорожное октановое число (ОЧд) или октановый индекс, рассчитываемое как среднее арифметическое между ОЧи и ОЧм.
Для авиабензинов дополнительно определяют сортность — показатель, характеризующий работу двигателя на богатой топливовоздушной смеси. Она может достигать 90–160 единиц, и чем выше значение, тем лучше.
Современные требования и экологические аспекты
Бензины XXI века должны соответствовать двум, зачастую противоречивым, группам требований: обеспечивать высокие эксплуатационные качества и удовлетворять жёстким экологическим нормам.
Повышение детонационной стойкости традиционно достигается за счёт технологий переработки, таких как каталитический риформинг и крекинг, которые дают базовые фракции с ОЧм 75–80 и ОЧи 80–94. Дальнейший рост октанового числа возможен при добавлении высокооктановых компонентов, получаемых процессами алкилирования и изомеризации.
Однако носители высокого октанового числа — ароматические углеводороды и олефины — создают серьёзные экологические проблемы. Ароматика способствует образованию нагара и канцерогенных веществ в выхлопе, а олефины повышают разницу между ОЧи и ОЧм и являются причиной образования смога и тропосферного («плохого») озона, вредного для здоровья. Поэтому в США и Западной Европе производят реформулированные бензины с изменённым составом, которые условно можно назвать «экологически чистыми».
В таких бензинах в качестве высокооктановых компонентов широко используются кислородсодержащие соединения — оксигенаты (например, МТБЭ, МТАЭ, ДИПЭ). Они не только повышают октановое число (ОИ МТБЭ достигает 108), но и обогащают топливо кислородом (до 18,2% в МТБЭ), обеспечивая более полное и чистое сгорание. Мощности по производству оксигенатов в мире составляют около 10 млн т/год.
Ранее для повышения октанового числа применялись токсичные антидетонаторы на основе тетраэтилсвинца (ТЭС). Однако из-за высокой опасности для здоровья и окружающей среды их использование было запрещено (в США и Японии — с 1992 г., в Западной Европе — с 1996 г.). Современная нефтепереработка ориентирована исключительно на производство неэтилированных бензинов.
Другие важные характеристики бензинов
- Фракционный состав: Определяется температурами выкипания 10%, 50% и 90% топлива. Низкая температура начала кипения облегчает холодный пуск двигателя, а низкая температура конца кипения обеспечивает полноту испарения и сгорания, снижая износ и расход топлива.
- Содержание смол: Оценивает склонность топлива к образованию липких отложений в топливной системе и камере сгорания, что приводит к нагару, детонации и другим неисправностям.
- Коррозионная активность: Ограничивается содержанием органических кислот, серы, сероводорода и меркаптанов, которые вызывают коррозию деталей двигателя и топливной системы.
- Химическая стабильность (индукционный период): Характеризует устойчивость топлива к окислению при хранении. Бензины, содержащие олефины (например, продукты крекинга), менее стабильны, чем прямогонные фракции или продукты риформинга.
- Содержание ароматических углеводородов: Хотя они повышают октановое число, их избыток ухудшает эксплуатационные свойства: увеличивает склонность к нагарообразованию, гигроскопичность и температуру помутнения.
Нормативная база и мировые тенденции
В России требования к бензинам регламентируются ГОСТ Р 51866-2002 (аналог европейского стандарта EN 228-2004). Согласно ему, содержание бензола не должно превышать 1%, а кислорода — 2,7% по массе. Установлены жёсткие нормы по содержанию серы (не более 10 ppm меркаптановой серы) и давлению насыщенных паров для разных классов испаряемости (летних, зимних).
Правительство РФ утвердило Технический регламент, который поэтапно ужесточает экологические требования, приближая их к европейским нормам «Евро-4» и «Евро-5». Эти нормы ограничивают не только содержание серы и бензола, но и долю ароматических и олефиновых углеводородов, обязывают использовать моющие присадки и предъявляют требования к конструкциям двигателей и системам очистки выхлопных газов.
На мировом рынке распространены два основных вида бензина: Premium (ОЧи 95–98) и Regular (ОЧи 91–93). В Европе доля премиальных бензинов превышает 80%, в то время как в США преобладают бензины с более низким октановым числом.
Приготовление товарных бензинов
Заключительный этап производства — смешение (компаундирование) различных компонентов (от 7 до 20) и введение присадок. На современных НПЗ этот процесс автоматизирован и управляется компьютерными программами, которые на основе данных от датчиков и анализаторов (в том числе и для определения октанового числа в потоке) рассчитывают оптимальные рецептуры для получения широкого ассортимента товарных бензинов, отвечающих всем стандартам качества.
