Из чего состоит бензин и как его делают

В России более 50 млн легковых автомобилей. Большая часть из них ездит на бензине.

Бензин — жидкая смесь углеводородов, которую получают из нефти. Его используют как топливо для двигателей внутреннего сгорания, ДВС. Также бензин применяют в промышленности в качестве растворителя или разбавителя, например для краски или чистки одежды. Он отличается от автомобильного — более чистый и без специальных добавок.

Расскажем подробнее про бензин: как его делают, какие бывают виды и чем они различаются.

Сырая нефть горит, но как топливо в современных ДВС ее использовать нельзя, для этого нужен бензин. Бензин — это лишь небольшая часть углеводородов, которые сначала выделяют из нефти с помощью перегонки, а потом еще и преобразуют с помощью различных процессов — риформинга и изомеризации.

Перегонка. Нефть, из которой делают большинство видов топлива, это смесь углеводородов разного химического состава, которые называют фракциями. У фракций разные химические и физические свойства, в частности температура кипения. Именно за счет этого их можно отделить друг от друга. Нефть нагревают до определенной температуры, а образовавшиеся пары конденсируют. Бензин выкипает при температурах от 80 °C до 180 °C. Воду отделяют: она тяжелее бензина и не смешивается с ним.

Бензин, который получен перегонкой нефти, называют прямогонным. У него очень низкое октановое число — ОЧ  , а в составе много серы. Когда сера и ее соединения сгорают, они образуют кислоты, агрессивные к металлическим деталям двигателя и выхлопной системы. Сернистые соединения также разрушают катализатор  . Использовать такой бензин в для современных ДВС нельзя.

Риформинг. Прямогонный бензин очищают от серы и пропускают под давлением примерно 30 атмосфер и при температуре около 500 °C через катализатор  . Прямые молекулы углеводородов сворачиваются в кольца и образуют ароматические соединения. Получается бензин с высоким ОЧ, но такие соединения и продукты их сгорания вредны для человека и окружающей среды.

Современные экологические стандарты ограничивают количество ароматических соединений в бензине — их не должно быть больше 35%. Поэтому в чистом виде такой бензин в качестве топлива не используют.

Изомеризация увеличивает ОЧ, не добавляя в бензин ароматических соединений. При температуре 400 °C и давлении 25—30 атмосфер на катализаторе молекулы углеводородов превращаются из прямых в разветвленные разновидности — изомеры с высокими октановыми числами.

Алкилирование — химические реакции, в которых из газов получают жидкие компоненты бензина с высокими октановыми числами, такие как изооктан. Алкилирование дает бензин очень высокого качества, но в России этот метод используется мало.

Каталитический крекинг. В сырой нефти исходно содержится всего лишь 10—20% бензина, но много тяжелых фракций, кипящих при высоких температурах — например, парафинов и мазута, которые состоят из очень длинных молекул. Если подвергнуть их крекингу — нагреть до 500 °C и пропустить через катализатор, — длинные молекулы распадутся на более короткие.

Этот способ позволяет получить из нефти больше ценного бензина с высоким октановым числом. Но такой бензин менее стабилен химически: соединения в нем — олефины — окисляются и полимеризуются, образуя смолистый осадок. Такой бензин мутнеет, густеет и теряет свои свойства.

Смешивание. Чтобы получить бензин с нужными качествами, смешивают углеводороды, полученные разными методами. Готовое топливо состоит из нескольких сотен различных углеводородов: прямых и кольцевых молекул прямогонного бензина, разветвленных изомеров, ароматических соединений после риформинга, нестойких соединений после крекинга.

Присадки. Чтобы улучшить свойства топлива, в бензин добавляют вещества, которые:

1. Увеличивают его стойкость к детонации — антидетонационные присадки.
2. Не дают компонентам бензина окисляться и позволяют топливу дольше сохранять свои свойства — антиокислительные присадки.
3. Очищают топливную систему от осевших смол, а систему впрыска и детали двигателя от нагара — моющие присадки.

До конца 20 века самой распространенной антидетонационной присадкой был тетраэтилсвинец, ТЭС, — ядовитое и канцерогенное металлоорганическое соединение. Такой бензин называли этилированным, позднее от него отказались.

В качестве замены ТЭС использовали ферроцены — металлоорганические соединения железа. Такой бензин оставлял на свечах красный налет, хорошо знакомый автолюбителям со стажем. Сейчас в автомобильный бензин ферроцены добавлять запрещено.

В России этилированный автомобильный бензин запрещено производить и продавать с 2003 года  . Сейчас октановое число увеличивают с помощью менее вредных веществ: метил-трет-бутилового эфира, или МТБЭ, этанола, ароматических соединений — толуола, бензола, диметилбензола. Они достаточно безопасны для человека и окружающей среды и не оставляют налета на свечах или деталях двигателя.

У бензина есть множество различных характеристик, которые описывают его физические и химические свойства. Самое важное из них — стойкость к детонации. Его обозначают октановым числом, или ОЧ.

Что такое детонация. При нормальной работе бензинового двигателя смесь топлива с воздухом впрыскивают в цилиндр, сжимают, а в нужный момент поджигают электрической искрой. При сжатии смесь сильно разогревается. Некоторые виды топлива могут воспламениться от высокой температуры еще до того, как проскочит искра. Это явление называют детонацией.

Когда топливную смесь поджигают искрой, пламя в камере сгорания распространяется со скоростью около 30 м/с. А когда смесь детонирует самопроизвольно, скорость пламени в 50 раз выше — 1500 м/с. Детонация, хорошо слышимая как звонкий металлический стук, нарушает режим работы двигателя, уменьшает его мощность и увеличивает расход топлива. Она может привести к очень быстрому перегреву — могут прогореть выхлопные клапаны и даже поршни.

Как оценивают стойкость к детонации. Характеристику, которая показывает, насколько хорошо топливо сопротивляется детонации, называют октановым числом — ОЧ. Чем больше можно сжать топливную смесь, прежде чем она сдетонирует, тем выше октановое число топлива. Современным двигателям с высокой степенью сжатия нужно топливо с высоким ОЧ.

Как считают октановое число. Топливо сравнивают с эталонной смесью из двух углеводородов n-гептана и изооктана. n-гептан очень легко детонирует, поэтому считают, что его ОЧ = 0, а изооктан устойчив к детонации, его ОЧ = 100  . Если топливо детонирует так же, как, например, смесь из 95% изооктана и 5% n-гептана — считают, что ОЧ такого бензина 95.

Как измеряют октановое число. Сравнивают, как работает двигатель на измеряемом топливе, с тем, как он работает на эталонной смеси n-гептана и изооктана в разных пропорциях. Есть два метода:

1. Моторный — его результат обозначают ОЧМ. В этом методе частота вращения двигателя — 900 оборотов в минуту, смесь подогревают до 150 °С, а угол опережения зажигания могут менять. Это более жесткий режим, близкий к работе реального ДВС.
2. Исследовательский — ОЧИ. В нем частота вращения двигателя — 600 оборотов в минуту, температура смеси — 50 °С, а угол опережения зажигания фиксированный.

Что такое чувствительность бензина. ОЧМ обычно на 8—12 единиц ниже, чем ОЧИ. Разницу между этими двумя числами называют чувствительностью бензина. Бензин с более низкой чувствительностью более универсальный: обычно считают, что ОЧИ показывает, насколько хорошо бензин подходит для движения в городских условиях, а ОЧМ — для движения с высокой нагрузкой.

Обычно бензин используют как топливо для автомобилей, а также в малой авиации, химической промышленности и в быту.

Автомобильный бензин используют как топливо для ДВС не только в автомобилях, но и в двигателях садовой и строительной техники: газонокосилок, бензопил, генераторов.

Такой бензин обозначают на заправках буквами и цифрами  . Например, АИ-92-К5 — это:

• А — автомобильное топливо;
• И — если октановое число определили по исследовательскому методу, и без буквы, если по моторному;
• 92 — октановое число;
• К5 — экологический класс. Эту характеристику чаще всего не указывают, потому что в России сейчас разрешено продавать только бензин класса К5.

Авиационный бензин используют в малой авиации — на самолетах с поршневыми моторами. У больших самолетов двигатели газотурбинные, основа их топлива — керосин.

Авиационные поршневые моторы большую часть времени работают с высокой нагрузкой и на богатой смеси, которая содержит избыточное количество топлива, у многих моделей — воздушное охлаждение.

Авиационный бензин окрашивают в зеленый цвет и обозначают буквой Б и октановым числом, которое определяют по моторному методу, например Б-92. Иногда через дробь указывают второе значение — это октановое число для богатой топливом смеси, например Б-91/115  .

В отличие от автомобильного, в авиационный бензин до сих пор добавляют тетраэтилсвинец, чтобы увеличить стойкость к детонации, хотя есть и неэтилированные сорта.

Бензин-растворитель. В промышленности бензин-растворитель используют для отделения компонентов из канифоли, масел или озокерита, в быту — для удаления пятен и обезжиривания поверхностей.

В растворителе октановое число не играет роли, поэтому его не повышают с помощью присадок. Обычно в быту используют бензин-растворитель для резиновой промышленности  — нефрас-С2-80/120 или нефрас-С3-80/120:

• нефрас — сокращение от «нефтяной растворитель»;
• С — смесь углеводородов;
• 2 — 0,5—2,5% ароматических углеводородов, а если их 2,5—5%, то на этом месте ставят цифру 3;
• 80/120 — диапазон температур кипения в градусах Цельсия.

Нефрас С3 делают из бензинов прямой перегонки, а C2 — из бензинов, полученных методом риформинга.

В России несколько марок автомобильного бензина, основные из них — АИ-80, АИ-92, АИ-95 и АИ-98  . На АЗС рядом с маркой бензина можно увидеть приставку «К5» или «евро-5» — так обозначают экологический класс, который зависит от содержания серы в топливе. В России разрешено продавать автомобильное топливо не ниже пятого класса  .

АИ-80 на АЗС в крупных городах не найти. В основном его используют для старых автомобилей: ГАЗ-2410, Москвич-21406, УАЗ-469 — и старых мотоциклов: ИЖ, Юпитер, Планета, а также для сельхозтехники.

АИ-92 — основное топливо машин среднего класса с атмосферными двигателями конца 1990-х — начала 2000-х годов.

АИ-95 используют обычно для двигателей современных российских и иностранных машин мощностью до 150—200 л. с.

АИ-98 — топливо для современных мощных и спортивных автомобилей.

«Плюс». Кроме обычных марок, на АЗС можно встретить собственные — например, АИ-95+, АИ-95 ЭКТО и другие. Это тот же АИ-95, только с дополнительными моющими присадками, которые очищают топливную систему от осевших смол, а детали двигателя — от нагара. Такой бензин обычно на 2—3 ₽ дороже обычного.

Какое октановое число выбрать. Заливать в бак нужно бензин с ОЧ не ниже того, которое рекомендует производитель двигателя или автомобиля. Обычно его указывают на внутренней стороне лючка топливного бака — в России это ОЧИ, у европейских, японских и китайских машин ему соответствует RON — Research Octane Number. На американских автомобилях на лючке могут писать AKI, Anti-Knock Index — среднее арифметическое между ОЧИ и ОЧМ. Поэтому американский бензин AKI 87 — это аналог российского АИ-92, а AKI 93 — аналог АИ-98.

Если залить бензин с более высоким октановым числом, никаких вредных последствий для двигателя не будет, но и никаких преимуществ это не дает.

Рекомендуемое октановое число бензина можно примерно определить, если знать степень сжатия топливной смеси в двигателе. Для атмосферных моторов со степенью сжатия меньше 10 можно использовать АИ-92, 10—12 — АИ-95, 12—14 — АИ-98, а если она выше 14 — как минимум АИ-100. Для любых турбированных моторов минимальное ОЧИ — 95, но производители могут рекомендовать и более высокооктановое топливо.

Плотность бензина при 15 °С составляет 725—780 кг/м³  . Это значение не зависит от октанового числа и может немного различаться в разных партиях бензина одной и той же марки.

Характеристика зависит от температуры: чем топливо холоднее, тем выше его плотность. При остывании на 1 °C она увеличивается примерно на 0,13%. Поэтому выгоднее всего заправлять автомобиль утром, когда бензин в подземных хранилищах немного остывает за ночь — заправочная колонка измеряет объем, а при более низкой температуре масса залитого в бак топлива будет больше. Если температура упадет, скажем, на 5 °C, то на 50 л бензина разница составит около 250 г топлива.

Фракционный состав. Бензин состоит из различных фракций — компонентов с разной температурой кипения.

Фракций, кипящих при температуре ниже 70 °С, в бензине примерно 10%. Если их меньше — холодный двигатель сложно запустить, а если больше — в системе питания могут возникнуть паровые пробки. Больше половины бензина составляют фракции, кипящие при средних температурах — ниже 100 °С. А фракций, которые не выкипают при температуре до 180 °С, должно быть меньше 10%, иначе топливо не сгорает полностью и дает много нагара.

Давление насыщенных паров бензина — еще один показатель испаряемости. У летнего топлива оно ниже, чем у зимнего. Чтобы повысить это давление, в бензин добавляют компоненты, кипящие при низких температурах, — на таком топливе двигатель легче запустить. Но если оно слишком высокое — в топливной системе образуются паровые пробки.

Химическая стабильность. Некоторые компоненты бензина нестойкие. Они могут окисляться, образуя смолы и снижая октановое число. Смолы оседают на стенках топливной системы и образуют нагар на деталях двигателя. Чтобы предотвратить окисление, в топливо добавляют антиокислительные присадки.

В магазинах можно купить множество присадок, которые добавляют в топливо, чтобы улучшить его свойства: увеличить октановое число, промыть топливную систему и систему впрыска, удалить нагар с деталей двигателя или сохранить свойства бензина достаточно долго.

Увеличить октановое число. Присадки, которые продают в магазинах, позволяют увеличить ОЧ на небольшую величину — обычно на 2—5 единиц. Это может помочь, если, например, на АЗС случайно залить в бак АИ-92 вместо АИ-95. Но на практике, даже если не добавить к бензину присадку, ничего страшного не произойдет. В современных двигателях есть датчики детонации, по команде которых электронный блок управления немного изменит угол опережения зажигания, чтобы топливо не успевало сдетонировать.

Постоянно заливать АИ-92 вместо АИ-95 не стоит: двигатель будет работать в неоптимальном режиме, с уменьшенной отдачей и повышенным расходом топлива. Но от одной заправки неправильным бензином он не выйдет из строя. Если же ОЧ отличается на большее значение, например на АЗС есть только АИ-80, — подобные присадки не смогут превратить его в АИ-95 без потери других свойств.

Очистить топливную систему и детали двигателя. Моющие присадки очищают топливную систему и защищают ее от коррозии, а также удаляют нагар с форсунок впрыска и впускных клапанов. Во многих странах ЕС такие присадки — обязательный компонент бензина. В России некоторые производители добавляют их в топливо собственных брендовых сортов, например, у «Лукойла» — ЭКТО, а у «Газпромнефти» — G-Drive. Но можно использовать обычное топливо и время от времени заливать в бак присадку.

Сохранить свойства бензина. Летучие компоненты бензина постепенно испаряются, а нестойкие — окисляются. Поэтому бензин постепенно — за один-два месяца — теряет свои свойства. Если же необходимо сохранить эти свойства на более долгое время, можно воспользоваться стабилизирующими присадками. Чаще всего их применяют, когда нужно, например, законсервировать технику на зиму.

1. Бензин делают из нефти, но это не одно вещество, а смесь сотен различных компонентов.
2. Бензин может быть автомобильный, авиационный и бензин-растворитель. Использовать авиационный и растворитель как автомобильное топливо нельзя.
3. АИ-80 используют для старых моторов, АИ-92 и АИ-95 — для большинства современных машин среднего класса, АИ-98 для мощных автомобилей.
4. Главная характеристика бензина — его стойкость к детонации. Ее обозначают октановым числом.
5. В магазине можно купить присадки, чтобы повысить октановое число, промыть топливную систему или сохранить свойства бензина на долгое время.