Оптимальная концентрация оксигенантов в бензинах составляет 3…15 % и назначается из условия, что содержание кислорода в топливе не должно быть более 2,7 %. Установлено, что такое количество оксигенантов при более низкой по сравнению с бензином теплотворной способности снижает мощностные характеристики двигателей.
Метилтретбутиловый эфир (МТБЭ) считается из них наиболее перспективным компонентом. МТБЭ — бесцветная, прозрачная жидкость с резким запахом, температурой кипения 48…55 °C, плотностью 740…750 кг/м3 и собственным октановым числом, определенным по исследовательскому методу равным 115…135 единиц. Первые опытные партии МТБЭ были разработаны в Италии в 1973 году. На сегодняшний день ежегодно в мире выпускаются десятки миллионов тонн МТБЭ. На основании результатов государственных испытаний в Российской Федерации также разрешено производство и применение автомобильных бензинов с содержанием МТБЭ не более 15 %. Ограничение установлено из‑за его относительно низкой теплоты сгорания и высокой агрессивности по отношению к резинотехническим изделиям. Эксплуатационные испытания показали, что неэтилированные бензины с добавлением 7…8 % МТБЭ при всех режимах движения превосходят товарные бензины.
Кислородсодержащими высокооктановыми присадками являются также этиловый и метиловый спирты. Они обладают хорошей стабильностью. Так, топливо на основе этанола содержит: 85…95 % (объем.) МеОН; 3…15 % (объем.) воды; 0,0005…0,001 % солей щелочных металлов; 0,01…0,05 % фтористого ПАВ и красителя.
Антидетонационные присадки, содержащие спирты изостроения, при производстве бензинов применяются на НПЗ в Литвинове. Используются два основных компонента: продукты риформинга и спиртов изостроения, дополненные обработанным после риформинга бензином из процесса гидрокрекинга вакуумного дистиллята нефти.
Данный вид топливных присадок основан на изобутилене и одноатомных спиртах нормального и изостроения. Их синтез осуществляется на цеолитсодержащих алюмосиликатах. Получаемая композиция топлива состоит из бензиновой базы каталитического крекинга и 10 %-ной антидетонационной присадки.
В качестве компонентов автомобильного бензина также применяются: этилтретбутиловый эфир (ЭТБЭ), третамилметиловый эфир (ТАМЭ), простые метиловые эфиры, полученные из олефинов С6–С7, а также спирты: метиловый, этиловый, вторичный бутиловый (ВБС) и третбутиловый (ТБС).
Высокооктановые бензины Аи-95 и Аи-98 обычно получают с применением кислородсодержащих компонентов: метилтретбутилового эфира (МТБЭ) или его смеси с третбутиловым спиртом (ТБС), имеющим название «Фэтерол» — торговая марка «Октан-115». Все чаще для производства неэтилированного бензина с низкой упругостью паров по Рейду и низким содержанием вредных веществ в выхлопных газах находят применение эфиры, например, алкиловые (МТБЭ, ЭТБЭ и др.).
Так, компания «Shell» и спользует экологически чистый бензин, содержащий 5,5 % МТБЭ, углеводородную основу и моющую присадку, а фирма «Chevron» предложила добавлять в базовый бензин 4…15 % (объем.) алкилата (смесь 40…60 % МТБЭ, 20…30 % изопропилового спирта, 20…30 % МеОН). В этом случае удалось повысить октановое число до 129 пунктов по исследовательскому методу и до 117 — по моторному методу. В настоящее время ведется разработка экологически чистого бензина, основанного на использовании МТБЭ как основного компонента в производстве бензина с высоким октановым числом.
Тем не менее, производство МТБЭ будут сокращать, хотя он и не представляет непосредственную угрозу для здоровья людей. Причина в том, что МТБЭ легко проникает в грунтовые воды и имеет неприятный запах. Он обнаружен в малых количествах во многих источниках водоснабжения. В жаркую погоду эфир из бензина улетучивается, что приводит к снижению октанового числа.
В качестве компонентов высокооктанового бензина также применяют метил — трет — С4–С5–алкиловые эфиры. Синтез осуществляется за счет реакции МеОН с соответствующим изоолефином при молекулярном соотношении (0,3…0,5):1 в прямоточном реакторе при 40…800 °C и давлении 5…7 атм.
Метанол и этанол уже давно используются в качестве самостоятельного моторного топлива. Перспективы применения и способы синтеза синтетического жидкого топлива на их основе будут подробнее рассмотрены в последующих главах.
Ароматические амины (производные анилина) в промышленности известны достаточно давно как горючее для ракетного топлива. В чистом виде анилин (С6Н5NH2) это бесцветная маслянистая жидкость с температурой кипения +184 °C и температурой плавления —6 °C. Анилин сильно ядовит, ограниченно растворяется в бензинах, под действием кислорода воздуха окисляется и темнеет, поэтому в чистом виде как антидетонационная присадка к бензинам не используется.
Ароматические амины обладают высоким антидетонационным эффектом, но в качестве присадки используется только монометиланилин (ММА) или N — анилин (С6Н5NHСH3). Это тоже маслянистая прозрачная жидкость желтого цвета с плотностью 980 кг/м3, растворимая в бензинах, спиртах, эфирах. ММА имеет высокие антидетонационные (октановое число по исследовательскому методу 280), антиокислительные, стабилизирующие и антикоррозионные свойства.
Недостатками ароматических аминов являются: подверженность смесей бензина с анилином и другими аминами при низких температурах расслоению, а также их повышенная склонность к смолообразованию и увеличению износа деталей цилиндропоршневой группы двигателя.
Повышение эксплуатационных свойств различных видов топлива может быть достигнуто путем введения различных металлсодержащих антидетонаторов и промоторов. При этом большое значение имеет дисперсность частиц металла: чем они меньше, тем эффективнее их применение, что открывает большие перспективы в использовании металлических наноматериалов в качестве добавок к различным видам топлива. Полезный эффект достигается также при применении в составе добавок современных моющих компонентов, химических нанокатализаторов и регуляторов горения топлива. Чаще используют многокомпонентные композиции, при этом каждый компонент выполняет свою функцию.
Антидетонатор (бустер, октан-корректор) — присадка к бензину на основе металлоорганических соединений для повышения его антидетонационных свойств.
Известно, что для полного сгорания 1,0 кг бензина необходимо 14,8 кг воздуха (окислителя), а 1,0 кг дизтоплива — 14,3 кг воздуха. Эти соотношения называются стехиометрическими (L o). Состав топливно-воздушной смеси характеризуется коэффициентом избытка воздуха «a», который определяется как отношение массы воздуха (М в), поданного в цилиндр на такте впуска, к теоретически необходимой для полного сгорания поданной в цилиндр массе топлива (М т):
a = М в /L o М т
Промотр (горения, восстановления пластичных металлов) (лат. promoveo — продвигаю) — активатор, вещество, добавление которого к катализатору (или какому-то другому активному компоненту вещества) увеличивает его активность, избирательность или устойчивость.
При нормальных условиях сгорание бензиновой ТВС происходит в диапазоне изменения коэффициента избытка воздуха а = 0,8…1,1. Дизельные двигатели верхнего предела «а» не имеют, а нижний предел составляет около 1,6. При этом изменение коэффициента избытка воздуха по различным причинам в сторону увеличения называется «обеднением», а в сторону уменьшения — «обогащением» ТВС.
У нормально работающей свечи (рис. 22а) юбка центрального электрода имеет светло — коричневый цвет, количество нагара и отложений на электродах минимальное, отсутствуют следы моторного масла. Все это говорит о нормальной работе данного цилиндра, экономичном расходе топлива и отсутствии выгорания масла из картера двигателя.
Рис. 22. Внешний вид свечей, эксплуатировавшихся: а) в нормальных условиях; б) на «бедной» ТВС; в) на «богатой» ТВС; г) на бензине с ферроценовыми добавками
Если цвет электрода от светло-серого до белого (рис. 22б), то это говорит о работе двигателя на «бедной» ТВС (недостаточном количестве подаваемого топлива). Эксплуатация двигателя на обедненной смеси может стать причиной значительного перегрева свечи и возможного ее оплавления. Это указывает также на перегрев камеры сгорания, что в дальнейшем может привести к прогару выпускных клапанов.
Обнаружение на центральном электроде бархатисто — черного нагара (рис. 22в), указывает на «богатую» ТВС (избыточную подачу топлива), что может являться следствием неправильной регулировки карбюратора или неисправности инжектора, а также засорения воздушного фильтра.
