За столетие с небольшим существования автомобильной промышленности бензин сильно эволюционировал. Развитие двигателестроения и нефтехимии привели к несовместимости топлива и моторов из разных эпох: заправка любого современного автомобиля топливом старого типа нанесет ущерб силовому агрегату. Найти такой бензин сегодня практически невозможно. Парадоксально, но попытка заправить старинный автомобиль современным высокотехнологичным топливом приведет к тому же результату. В чем причина несовместимости старого и нового, и как изменился бензин по сравнению с началом автомобильной эпохи?
Первые прототипы поршневого двигателя внутреннего сгорания построили в конце XIX века — до того, как возник бензин и стал моторным топливом. Эти прототипы работали на полученном из угля светильном газе, и чтобы началась история появления бензина, сначала должны были разработать сам двигатель. Поэтому изобретатели искали эффективное горючее среди доступных в быту веществ. Вскоре они обнаружили, что более подходящим, чем газ, был продающийся в аптеках пятновыводитель лигроин — благодаря отличной испаряемости он эффективней смешивался с воздухом и образовывал необходимую горючую взвесь.
Высокая летучесть и способность к воспламенению смеси лигроина с воздухом позволяли ей хорошо уплотняться в цилиндре во время такта сжатия, предшествующего поджиганию искрой. Эта фаза – одна из основ эффективности четырехтактного поршневого двигателя: топливо сжимается подобно пружине, поэтому расширение в момент высвобождения энергии (начало горения) происходит более интенсивно. Давление на поршень увеличивается, поэтому он энергичнее раскручивает коленвал двигателя, будучи связанным с ним через шатун.
Пионером, установившим в 1885 году такой мотор на самоходный экипаж, был Карл Бенц. А первой автозаправочной станцией послужила аптека немецкого городка Вислох, где жена инженера Берта Бенц шокировала кассира просьбой сразу о десяти литрах лигроина. Фармацевт привык продавать чистящее средство маленькими бутылочками и не мог ожидать, что кто-то додумается заправлять пятновыводителем самоходный экипаж. Благодаря распространенности лигроина Берта Бенц с сыновьями не испытала проблем с горючим на всей 106-километровой дистанции первого в истории автомобильного путешествия.
В конце XIX века бензин использовался также как антисептик и топливо для примусов. Двигателестроение изменило его роль и простимулировало усовершенствование характеристик.
Уже в начале XX века начался массовый выпуск автомобилей, и в нефтяной промышленности осознали новую роль бензина. Потребность в жидком моторном топливе росла лавинообразно. Стремление автопроизводителей увеличивать мощность двигателей создало спрос на новое, более качественное топливо. Инженеры добивались прироста лошадиных сил за счет повышения степени сжатия топливной смеси (по принципу еще более мощной пружины) и предельных оборотов двигателя (увеличивается объем сделанной мотором работы в единицу времени).
Мощность двигателя тем выше, чем сильнее сжато топливо в камере сгорания перед воспламенением. Больше топлива – больше высвобождающейся энергии.
При более интенсивном воздействии происходила детонация: горючая смесь, основанная на тогдашнем топливе, взрывалась раньше, чем ее воспламеняла свеча зажигания. Детонация не только снижает мощность двигателя, но и повреждает его движущиеся детали, которые не могут выдерживать два противоположных вектора силы: досрочно образовавшаяся в цилиндре ударная волна попадает в противофазу с движением поршня и оказывает ему вместо содействия —встречное сопротивление.
Детонация — процесс, который невозможно контролировать. Это как разжигать мангал порохом, вместо газет. Пламя появится, но негативные последствия наступят раньше, чем польза от действия.
Способность бензина сопротивляться воспламенению от сжатия выражена его октановым числом — чем оно больше, тем выше детонационная стойкость. Повысить ее можно с помощью различных добавок в бензин. В 1920-е годы исследователи топлива обнаружили, что наиболее эффективный антидетонатор — тетраэтилсвинец, который достаточно добавить даже в мизерном количестве, около одного процента. Но вскоре после перевода производств на выпуск этилированного бензина на нефтеперерабатывающих заводах стали происходить случаи отравления рабочих этим токсичным веществом, и общество забило тревогу.
В качестве безвредного антидетонатора отлично работает спирт. Но он делает бензин слишком дорогими, подвергает мотор коррозии, поэтому системы впрыска метанола и этанола (иногда в определенной пропорции с водой) используют в основном на высокофорсированных несерийных моторах в тюнинге и автоспорте.
Потребовалось еще более полувека, чтобы мир осознал масштабы вреда от свинцовых выбросов для природы и человека и запретил производство этилированного бензина. Отказ от свинца, ядовитых металлов-антидетонаторов и других присадок стал возможным, когда нефтехимия смогла обеспечить полный цикл переработки нефти. Сегодня нефтеперерабатывающие заводы в России производят высокооктановый бензин без добавления присадок.
Любой современный бензин — это смесь, и написать его общую химическую формулу невозможно. Она зависит от того, в каком регионе получена сырая нефть, по какой технологии произведена переработка.
Павел Шигонин
Технолог Московского НПЗ
Эволюция эксплуатационных свойств и состава бензина тесно связаны с развитием конструкции двигателя. Постепенное увеличение мощности двигателя приводило к проблемам с детонацией. Ученые-химики трудились над задачей повышения детонационной стойкости. Впоследствии структура и состав бензина, равно как и технологическая цепочка НПЗ, обрастала новыми звеньями. Сначала приоритетной была задача корректировки скорости сгорания, позже появилась задача сделать горение экологичным. Для этого в технологической цепочке есть, например, этап удаления серы, а разнообразие высокооктановых компонентов позволяет минимизировать в бензине содержание бензола и ароматических углеводородов, которые являются канцерогенными.
В настоящее время в России действуют нормы Евро-5, введенные в 2016 году. Они касаются как систем и агрегатов всех продаваемых в стране новых авто, так и характеристик моторного топлива. Нефтеперерабатывающие заводы при производстве бензина обязаны руководствоваться экологическим стандартом. Например, Московский НПЗ «Газпром нефти» более пяти лет выпускает топливо стандарта Евро-5, оно полностью соответствует экологическим требованиям. Помимо применения современного качественного топлива, важно питать им мотор современной конструкции.
Нынешние двигатели значительно отличаются от силового агрегата самоходной повозки Benz Patent-Motorwagen — для получения большей мощности они рассчитаны на гораздо более высокую степень сжатия топлива и высокие рабочие обороты, а также оборудованы каталитическими нейтрализаторами, очищающими выхлопные газы. Если представить, что автовладельцу доведется заправиться не выпускающимся ныне этилированным бензином с высоким содержанием свинца, он неизбежно столкнется с детонацией (октановое число бензина прошлого века слишком мало) и как следствие — падением мощности. Если со взрывным горением электронная система управления справится, то критический вред свечам зажигания, датчикам кислорода и каталитическому нейтрализатору от свинца и других металлосодержащих присадок предотвратить невозможно. Автомобиль поедет крайне плохо, а ремонт будет дорогостоящим.
Виктор Чуяков
руководитель системы контроля качества топлива в «Газпром нефти»
Свинец убивает, в первую очередь, дорогостоящий катализатор. Его выход из строя может привести к перебоям или к полной остановке двигателя — в зависимости от настройки электроники. Влияние на свечи зажигания так же есть, но оно менее фатально — свечи можно заменить.
Попытка заправить современным бензином автомобиль середины прошлого века или еще более старый также приведет к плачевным последствиям. Высокая детонационная стойкость нынешнего топлива не позволит ему полностью сгореть в ходе рабочего такта, когда поршень идет вверх под воздействием теплового расширения сгорающей смеси. И в последний такт — выпуска — топливо отправится в выхлопную систему в виде пламени, расплавляя на своем пути открытые выпускные клапаны (явление прогорания клапанов) и другие детали. Иными словами, горящее топливо будет в значительной части выплескиваться в трубу. Чтобы этого избежать, используют модернизированные под современные стандарты клапаны, двигатель не подвергают максимальной нагрузке, используют специальные присадки для старых моторов.
Развитие науки и техники позволило создать сверхмощные автомобильные двигатели и высокоэффективное экологичное топливо, доступное практически каждому автолюбителю. Сегодня гоночный болид класса LMP2 команды G-Drive Racing можно заправлять высокооктановым топливом из обычной колонки сети АЗС «Газпромнефть». Но заправлять им ретро-автомобиль все же не стоит: за десятилетия технологии двигателестроения ушли далеко, и новый бензин может просто не подойти к мотору устаревшей конструкции.