Чем больше теплота сгорания топлива, тем меньше его расходует двигатель для совершения той же работы. Однако это не значит, что в любом двигателе можно, меняя состав топлива, добиваться желаемых высоких показателей эффективности. Дело в том, что топливо, способное выделять при сгорании больше тепла, требует для своего горения больше воздуха, а каждый двигатель устроен таким образом, что может потреблять ровно столько воздуха, сколько предусматривает его конструкция. Поэтому воздуха чаще всего не хватает, и сгорание оказывается неполным. При этом в продуктах сгорания, кроме «положенных» углекислого газа и воды, появляются свободный водород, уже упоминавшаяся окись углерода СО, несгоревшие углеводороды СхНу, а иногда и частицы свободного углерода.
Каким же должно быть моторное топливо?
В принципе, это может быть любое легковоспламеняющееся вещество в жидкой или газообразной фазе, хорошо смешивающееся с воздухом и отвечающее следующим требованиям: по возможности полное сгорание с максимальным выделением тепла; минимальное образование токсичных и коррозийно-активных веществ; удобство хранения и транспортирования; применяемость в различных климатических условиях: нетоксичность; невысокая стоимость.
Веществ с подобными свойствами в практике известно немало. Однако даже лучшему из них в смысле экологии – водороду (выхлопной газ – водяной пар) присущи недостатки: неудобство транспортирования и хранения, взрывоопасность в смеси с воздухом и низкая антидетонационная стойкость. Хорошие смеси с воздухом образуют многие спирты и органические растворители, но они вызывают повышенную коррозию деталей двигателя. Сжиженный газ имеет невысокую стоимость, малотоксичен, удобен при транспортировании и хранении, однако требует переоборудования бензинового двигателя.
Поэтому пока лучшими видами топлива для обычных двигателей внутреннего сгорания остаются традиционные продукты: бензины и дизельное топливо. Эта тенденция, очевидно, сохранится и в первой трети нынешнего тысячелетия. Затем, по прогнозам ученых, запасы нефти на Земле истощатся. Ведь они не бесконечны, а сейчас за одни сутки сжигается столько, сколько природа с помощью солнечной энергии способна восстановить лишь за 1000 лет. Кроме того, огромное количество нефти и нефтепродуктов теряется во время транспортирования. Только в «благополучное» Средиземное море из аварийных танкеров ежегодно выливается около миллиона тонн нефти, каждая капля которой образует на поверхности воды пленку диаметром 30 см. Однако нефть будут добывать и сжигать до тех пор, пока она не исчезнет полностью.
Автомобильные бензины представляют собой наиболее многочисленную группу моторного топлива. Они отличаются друг от друга и маркируются по величинам октановых чисел.
Октановое число характеризует способность бензина сгорать в двигателе внутреннего сгорания без детонации, то есть его детонационную стойкость.
Не углубляясь в тонкости теории поршневых двигателей, напомним, что после подачи искры в камеру сгорания через 0,001 секунды возникает пламя, фронт которого распространяется со скоростью 20–40 м/с. Сзади фронта пламени остаются раскаленные продукты сгорания; расширяясь, они сжимают свежую топливо-воздушную смесь, еще находящуюся впереди этого фронта. Последние не сгоревшие участки смеси к моменту приближения к ним фронта пламени оказываются сжатыми до 30–80 кгс/см2 и, вследствие сжатия, нагретыми до 300–700 °C.
При таких температурах и давлениях в этих частях топ-ливо-воздушной смеси энергично протекает процесс окисления углеводородов, в результате которого образуются легко взрывающиеся органические перекиси, при достаточно большом количестве которых горение топлива в камере имеет взрывной характер: у очага взрыва возникают ударные волны, которые с огромной скоростью, близкой к скорости звука, распространяются по камере сгорания. При этом происходит очень быстрое сгорание оставшейся свежей смеси, сопровождающееся многократными отражениями неуправляемых ударных волн от стенок цилиндра. Вот это явление и называется детонацией.
Для повышения детонационной стойкости в бензин вводят на предприятии-изготовителе различные вещества-антидетонаторы: метил-третбутиловый эфир, циклапентадиенилтри-карбонил марганца и др.
Каждая марка бензина выпускается как для летней, так и для зимней эксплуатации. Многие физико-химические показатели летних и зимних марок бензина одинаковы, разные у них только фракционные составы и давления насыщенных паров. Однако именно эти показатели являются определяющими при оценке возможности применения той или иной марки бензина в зависимости от температуры окружающей среды.
Так, например, легкость пуска двигателя зимой обеспечивается за счет наличия в бензине низкокипящих фракций, которые образуют с воздухом смесь, воспламеняющуюся от искры свечи зажигания при холодном двигателе. А вот в летнем бензине таких фракций должно быть меньше, чтобы в двигателе и топливной системе не образовывались паровые пробки, нарушающие нормальную подачу топлива в камеры сгорания.
Присутствие в бензине даже в небольших количествах воды или ее паров значительно сокращает сроки хранения и ухудшает качество топлива.
Изменение фракционного состава бензина – тонкое, требующее профессиональных знаний и соответствующего оборудования, а также систематического квалифицированного контроля качества готового продукта в лабораторных условиях.
Вместе с тем определенного повышения уровня и эксплуатационных свойств бензина можно добиться легированием базового топлива при помощи присадок, то есть специально для данного топлива подобранных и тщательно испытанных химических веществ, способных изменить физико-химические показатели топлива. Присадки добавляются в товарные нефтепродукты только в условиях нефтеперерабатывающих предприятий, поэтому их не следует путать с веществами, добавляемыми в условиях эксплуатации – это что угодно, только не присадки.
Что же побудило изготовителей топлива заниматься столь хлопотным и тонким делом, как создание и применение присадок? Прежде всего, их подталкивает к этому постоянный прогресс в технологии моторостроения и последовательное стремление конструкторов к оптимизации показателей мощности, энергетики и функциональности двигателей.
Кроме того только наличие высокоэффективных топливных присадок дает возможность нефтяным компаниям производить различные виды моторного топлива, отвечающие требованиям современных двигателей – мощных, быстроходных и экологически «чистых».
Специалистам хорошо известно, что в нефтяном топливе всегда присутствуют так называемые фактические смолы – темно-коричневые растворенные или полужидкие вещества с плотностью около 1 г/л. Смолы – высокомолекулярные продукты, поэтому они не испаряются, а накапливаются на горячих стенках трубопроводов и забивают жиклеры, форсунки и другие калиброванные тонкие отверстия в деталях топливной аппаратуры, препятствуя их нормальной работе.
Еще хуже то, что при попадании смол вместе с бензином в камеры сгорания в критических высокотемпературных зонах (клапаны, днище поршня, стенки камеры сгорания и т. п.) эти смолы уплотняются и частично выгорают, образуя хрупкие и твердые углеродистые отложения – нагары.
При эксплуатации двигателя, «зараженного» нагаром, могут возникать различные сопутствующие «заболевания», например: снижение ходовых качеств, особенно при подаче «газа»; повышенный расход топлива; увеличение токсичности выхлопных газов и т. п.
В экстремальных случаях нагар на клапанах может помешать их закрытию, что, в свою очередь, может привести к прогоранию клапанов и очень серьезным повреждениям двигателя.
Специалисты не без оснований утверждают, что серьезное заболевание лучше постараться предупредить, чем рассчитывать на эффективные лекарства при лечении этого заболевания в последующем. Так и с нагаром. Не следует ждать вскрытия двигателя, чтобы избавиться от нагара. Лучше попытаться обеспечить двигателю более благоприятный режим эксплуатации, позаботиться о хорошем топливе, в том числе путем стабилизации его при помощи определенных химических веществ.
Чтобы при этом не навредить, нужно хоть немного ориентироваться, какие присадки уже введены в топливо на заводе и какую роль каждая из них выполняет.
Применение присадок улучшает свойства топлива, уменьшает токсичность выхлопных газов. Экономятся также значительные средства на ремонтах двигателей. Однако резервы промышленных присадок не безграничны – ведь при концентрации от 0,03 до 0,3 % (а именно таковы концентрации промышленных присадок в топливе) чуда ожидать не приходится. Увеличение концентрации нецелесообразно ни экономически, ни технически.
Поэтому рано или поздно перед владельцем автомобиля неминуемо встанет вопрос: как помочь двигателю, который работает в трудных условиях эксплуатации, послужить подольше?
Сам по себе этот вопрос содержит тайную надежду на то, что кто-то очень умный, вопреки всем законам физики и химии, придумал-таки для двигателя «эликсир вечной молодости», который можно добавить в моторное топливо один раз и после этого быть уверенным, что внутри двигателя все сверкает чистотой, а выхлоп пахнет фиалками. Возможно, такая надежда – это результат чтения сказок, в которых все хорошо кончается, даже если главный герой – дурак.
В реальной жизни все намного сложнее, чем в сказках. Ни вечного двигателя, ни эликсира вечной молодости нет и не может быть. Тем не менее во всех развитых странах растут производство и потребление композиционных топлив, содержащих промышленные присадки, а наш рынок буквально завален многочисленными средствами «подкапотной химии», зачастую сомнительного происхождения и качества, при помощи которых отечественные энтузиасты, не надеясь более на решительные меры со стороны государства, направленные на улучшение качества моторного топлива, рассчитывают кто повысить октановое число бензина, кто освободить дизтопливо от парафинов, кто уменьшить «жесткость» работы двигателя.
В данном случае следует иметь в виду, что получить бензин высокого качества из ранее испорченного продукта практически невозм