Октановое число

Октановое число — это показатель, характеризующий детонационную стойкость топлива для бензиновых двигателей внутреннего сгорания, то есть способность топлива противостоять самовоспламенению при сжатии. Чем выше октановое число, тем меньше вероятность возникновения детонации (взрывного горения) в цилиндрах двигателя. Октановое число является одной из ключевых эксплуатационных характеристик автомобильного бензина и определяет его пригодность для использования в двигателях с различной степенью сжатия.

История открытия и разработки

Проблема детонации стала актуальной с началом массового производства автомобилей в начале XX века. В 1910-х годах инженеры заметили, что при работе двигателя с высокой степенью сжатия топливо может воспламеняться не от искры свечи зажигания, а от перегрева и давления, что приводило к характерному металлическому стуку, потере мощности и разрушению поршней.

В 1920-х годах американский инженер и химик Томас Мидгли (впоследствии известный также изобретением фреона) начал систематические исследования детонации. Совместно с химиком Чарльзом Кеттерингом он разработал метод измерения детонационной стойкости. В качестве эталонов были выбраны два углеводорода:

• Изооктан (2,2,4-триметилпентан) — практически не детонирует даже при высоких степенях сжатия. Его стойкость была принята за 100 единиц.
• Н-гептан (нормальный гептан) — очень склонен к детонации. Его стойкость была принята за 0 единиц.

Смешивая эти два вещества в различных пропорциях, получали эталонные смеси с известным октановым числом. Испытуемое топливо сравнивали с этими смесями на специальном одноцилиндровом двигателе с переменной степенью сжатия. Так появилась шкала октановых чисел.

В 1930-х годах были разработаны методы повышения октанового числа с помощью антидетонационных присадок, самой эффективной из которых оказался тетраэтилсвинец (ТЭС). Его использование позволило значительно увеличить мощность двигателей, но впоследствии было признано экологически опасным из-за токсичности свинца. В большинстве стран мира, включая Россию, с 2000-х годов этилированный бензин запрещён.

Методы определения октанового числа

Существует два основных стандартизированных метода измерения октанового числа, которые дают разные значения для одного и того же топлива.

Исследовательский метод (Research Octane Number, RON)

Исследовательский метод (обозначается как РОН или ОЧИ) проводится на одноцилиндровом двигателе при более мягких условиях: частота вращения коленчатого вала 600 об/мин, температура всасываемого воздуха 52 °C. Этот метод моделирует работу двигателя при частичных нагрузках и в городском цикле. Значение ОЧИ обычно выше, чем ОЧМ. Именно ОЧИ указывается на автозаправочных станциях в России и большинстве стран Европы (например, АИ-92 означает «автомобильный бензин с октановым числом по исследовательскому методу 92»).

Моторный метод (Motor Octane Number, MON)

Моторный метод (обозначается как МОН или ОЧМ) проводится при более жёстких условиях: частота вращения 900 об/мин, температура всасываемого воздуха 149 °C, а также используется подогрев топливной смеси. Этот метод моделирует работу двигателя при высоких нагрузках и на высоких оборотах. Значение ОЧМ всегда ниже, чем ОЧИ для одного и того же топлива. Разница между ОЧИ и ОЧМ называется чувствительностью топлива.

Октановое число по дорожному методу (Road Octane Number, RON)

Это усреднённое значение, используемое в США и некоторых других странах. Оно рассчитывается как среднее арифметическое между ОЧИ и ОЧМ: (RON + MON) / 2. На колонках в США указывается именно это значение (например, «91» на Premium-бензине соответствует примерно 95-97 по российскому стандарту).

Шкала октановых чисел и марки бензина

Октановое число может быть как меньше 0, так и больше 100. Для топлив с детонационной стойкостью выше изооктана (например, для авиационных бензинов) используется условная шкала, основанная на добавлении тетраэтилсвинца или других высокооктановых компонентов.

В России и странах бывшего СССР принята следующая маркировка автомобильных бензинов (по ГОСТ 32513-2013):

Буква «А» означает «автомобильный бензин», «И» — «исследовательский метод». Цифра — значение ОЧИ.

Факторы, влияющие на октановое число

Октановое число конкретного топлива зависит от его химического состава и технологии производства.

Углеводородный состав

• Ароматические углеводороды (бензол, толуол, ксилолы) имеют высокое октановое число (100–120). Их содержание в бензине увеличивает детонационную стойкость, но повышает токсичность выхлопа и склонность к нагарообразованию.
• Изопарафины (разветвлённые алканы) также обладают высокой стойкостью (изооктан — 100).
• Олефины (алкены) имеют среднее октановое число, но химически нестабильны — склонны к окислению и образованию смол.
• Нормальные парафины (н-гептан, н-октан) имеют низкое октановое число (0–20) и ухудшают детонационные свойства.

Технологические процессы

На нефтеперерабатывающих заводах октановое число повышают с помощью следующих процессов:

• Каталитический риформинг — превращение низкооктановых бензиновых фракций в высокооктановые ароматические углеводороды.
• Каталитический крекинг — расщепление тяжёлых фракций с получением бензина с октановым числом 85–92.
• Изомеризация — превращение нормальных парафинов в изопарафины (повышение на 10–20 единиц).
• Алкилирование — получение высокооктановых изопарафинов из изобутана и олефинов.

Присадки

Для дополнительного повышения октанового числа используются антидетонационные присадки. В современном неэтилированном бензине применяются:

• Метил-трет-бутиловый эфир (МТБЭ) — кислородсодержащее соединение, повышающее ОЧИ на 3–5 единиц при добавлении 10–15%.
• Этил-трет-бутиловый эфир (ЭТБЭ) — аналогичен МТБЭ.
• Метанол и этанол — спирты, повышающие октановое число, но снижающие теплотворную способность топлива.
• Ферроцены (на основе железа) — эффективны, но вызывают нагарообразование и ухудшают работу свечей зажигания.

Значение и применение

Октановое число является критическим параметром при выборе топлива для конкретного двигателя. Использование бензина с октановым числом ниже требуемого приводит к детонации, которая может вызвать:

• разрушение поршней, колец и головки блока цилиндров;
• перегрев двигателя;
• потерю мощности и увеличение расхода топлива.

Использование бензина с октановым числом выше требуемого (например, заливка АИ-98 в двигатель, рассчитанный на АИ-92) в большинстве случаев не даёт прироста мощности и не улучшает работу, но может привести к неполному сгоранию топлива, увеличению нагара и снижению экономичности. Современные двигатели с электронным управлением (ECU) могут адаптироваться к более высокооктановому топливу, корректируя угол опережения зажигания, но это не является универсальным правилом.

В России и странах Таможенного союза требования к октановому числу бензина регулируются техническим регламентом «О требованиях к автомобильному и авиационному бензину, дизельному и судовому топливу, топливу для реактивных двигателей и мазуту» (ТР ТС 013/2011). Согласно этому регламенту, бензин должен соответствовать классам 2–5 по содержанию серы и другим показателям, а октановое число указывается в маркировке.

Критика и ограничения

Октановое число не является единственной характеристикой качества топлива. Оно не учитывает:

• Фракционный состав (испаряемость) — влияет на запуск холодного двигателя и образование паровых пробок.
• Содержание серы — влияет на экологичность и ресурс катализатора.
• Химическую стабильность — склонность к окислению и смолообразованию при хранении.
• Теплотворную способность — количество энергии, выделяемой при сгорании.

Поэтому два бензина с одинаковым октановым числом могут существенно различаться по реальным эксплуатационным свойствам. Кроме того, современные двигатели с непосредственным впрыском и турбонаддувом предъявляют более сложные требования к топливу, чем просто высокое октановое число.

Источники

1. ГОСТ 32513-2013. «Топлива моторные. Бензин неэтилированный. Технические условия».
2. Технический регламент Таможенного союза ТР ТС 013/2011 «О требованиях к автомобильному и авиационному бензину, дизельному и судовому топливу, топливу для реактивных двигателей и мазуту».
3. К. С. Басниев, Н. М. Жуков. «Химия нефти и газа». — М.: Химия, 2008.
4. А. И. Ахметов. «Технология переработки нефти и газа». — М.: Недра, 2012.
5. Энциклопедия «Кругосвет»: статья «Детонация топлива».