Октановое число спиртов¶
Октановое число спиртов — характеристика горючих свойств спиртов (прежде всего метанола, этанола, изопропанола и бутанолов), определяющая их антидетонационную стойкость при сжатии в двигателях внутреннего сгорания. Октановое число (ОЧ) численно равно объёмному проценту изооктана (2,2,4-триметилпентана) в смеси с н-гептаном, дающему такую же детонационную стойкость, как и испытуемое топливо. Спирты обладают высоким октановым числом: у метанола оно составляет около 109 по исследовательскому методу (RON) и 89 по моторному (MON), у этанола — 109 RON и 90 MON, у изопропанола — 118 RON и 98 MON, у трет-бутанола — около 120 RON. Эти значения превышают показатели большинства автомобильных бензинов, что и обусловливает интерес к спиртам как компонентам топлив.
¶Физико-химическая основа антидетонационных свойств
Детонация — это неконтролируемое взрывное окисление топливно-воздушной смеси, возникающее при слишком раннем самовоспламенении рабочей смеси в цилиндре. Склонность топлива к детонации определяется кинетикой окислительных реакций, скоростью распространения фронта пламени и теплотой испарения.
У спиртов антидетонационный эффект связан с несколькими факторами:
- Высокая теплота испарения. Метанол испаряется с поглощением около 1100 кДж/кг, этанол — около 840 кДж/кг, тогда как бензин — 250–350 кДж/кг. Охлаждение заряда при испарении снижает конечную температуру сжатия и уменьшает вероятность самовоспламенения.
- Более узкий диапазон горения. Спирты горят в более бедных смесях, чем бензин, что расширяет пределы устойчивой работы двигателя.
- Высокое число октановых кислородсодержащих групп. Наличие гидроксильной группы −OH замедляет разветвлённые цепные реакции, характерные для предпламенных процессов.
¶Октановые числа основных спиртов
| Спирт | RON | MON | Источники данных |
|---|---|---|---|
| Метанол (CH₃OH) | 108,7–109 | 88,6–89 | ASTM, данные производителей |
| Этанол (C₂H₅OH) | 108,6–109 | 89,7–90 | ASTM D4806 |
| Изопропанол ((CH₃)₂CHOH) | 118 | 98 | Справочники топлив |
| Н-пропанол | 104 | 89 | Литературные данные |
| Трет-бутанол | 120 | — | Справочники топлив |
| Изобутанол | 113 | 94 | Данные ASTM |
| Н-бутанол | 96 | 78 | ASTM D4806 |
Указанные значения приведены для чистых веществ. В смесевых топливах октановое число смеси не является строго аддитивной величиной: для бинарных смесей «этанол — бензин» наблюдается положительное отклонение от линейной интерполяции (обычно на 1–3 пункта).
¶Метанол в качестве моторного топлива
Метанол исторически применялся как конкурент бензина ещё в 1920–1930-е годы. В 1920-х годах Генри Форд рассчитывал на выпуск автомобилей, работающих на метаноле, однако массовое распространение получил этилированный бензин. В 1960–1970-е годы метанол вновь привлёк внимание как экологически более чистое топливо: продукты его сгорания содержат меньше бензола и полиароматических углеводородов.
В автоспорте метанол применяется в IndyCar и некоторых сериях дрэг-ринга. Высокое ОЧ позволяет поднимать степень сжатия и повышать мощность двигателя приблизительно на 10–15 % по сравнению с бензиновым вариантом того же объёма. Требуемый расход метанола примерно вдвое выше бензинового из-за меньшей теплоты сгорания (19,9 МДж/кг против 44 МДж/кг у бензина).
¶Этанол в топливных смесях
Этанол наиболее широко применяется в смесевых топливах. В России действует стандарт ГОСТ Р 53217-2008 «Топливо автомобильное этилированное. Евро. Технические условия», регламентирующий, в частности, содержание этанола в бензинах класса Е5 (до 5 % по объёму). В США производится смесевое топливо E85 (до 85 % этанола) для автомобилей с гибким топливом (Flex-Fuel), октановое число которого составляет около 105 RON.
При смешении с бензином АИ-92 октановое число растёт примерно на 3–4 пункта при добавлении 10 % этанола. Это позволяет при производстве бензинов низких марок использовать спиртовые компоненты вместо дорогих антидетонаторов на основе ароматических соединений.
¶Ограничения и проблемы применения
Несмотря на высокое октановое число, спирты имеют ряд недостатков, ограничивающих их использование:
- Гигроскопичность. Метанол и этанол активно поглощают влагу из воздуха, что приводит к расслоению топлива и коррозии топливной аппаратуры.
- Агрессивность к материалам. Спирты разрушают некоторые виды резины, пластика и лакокрасочных покрытий, требуя применения специальных уплотнений (например, фторкаучуков).
- Токсичность метанола. Метанол вызывает слепоту и смертельные отравления при попадании в организм; при сгорании в закрытых помещениях продукты конденсируются в формальдегид.
- Низкая теплота сгорания приводит к увеличению расхода топлива и объёмов бака.
В России производство и применение этилированного (свинцового) бензина запрещено с 2003 года, однако октановые числа спиртов остаются востребованы при разработке безсвинцовых антидетонационных компонентов и альтернативных видов топлива.
Источники:
- ASTM D4806 — Standard Specification for Denatured Fuel Ethanol for Blending with Gasolines for Use as Automotive Spark-Ignition Engine Fuel
- ГОСТ Р 53217-2008 «Топливо автомобильное этилированное. Евро»
- Кнутсон Дж. «Химия нефтепереработки» — М.: Химия, 1985
- Справочник «Топлива, их свойства и применение», под ред. В. М. Табакова
- Патисов А. Ф., Соколов В. И. «Топлива и их использование» — М.: Недра, 2002