Бензин: характеристики, октановые числа, марки и производство

Бензин — ключевой компонент современной энергетики и транспорта, от которого напрямую зависит эффективность и экологичность работы миллионов двигателей внутреннего сгорания. Этот жидкий углеводородный продукт производится из нефти — ценнейшего природного ископаемого, преобразуемого в топливо с помощью сложных химико-технологических процессов.

Современные автомобили, мотоциклы, бензоэлектростанции и иное оборудование работают на бензине, чьи свойства напрямую влияют на мощность, экономичность и долговечность двигателей. Однако бензин — это не просто горючая жидкость. Его состав, фракционный профиль, детонационная стойкость и экологические характеристики определяются десятками параметров и методами переработки нефти.

В этом материале мы рассмотрим, из чего состоит бензин, какие существуют его виды, как оцениваются его характеристики, как он производится и каковы особенности его применения в разных климатических условиях и странах.

История бензина началась задолго до появления автомобилей. Первоначально бензин был побочным продуктом переработки нефти и не находил широкого применения. В XIX веке, с развитием нефтяной промышленности и появлением двигателей внутреннего сгорания, его значение резко возросло. Уже в 1870-х годах бензин начали использовать в двигателях Отто, а с началом массового производства автомобилей Генри Фордом в начале XX века, спрос на бензин вырос многократно.

В XX веке совершенствовались технологии его получения: появились каталитический и термический крекинг, риформинг и другие методы, позволившие улучшить выход и качество топлива. В 1920-х годах начали добавлять тетраэтилсвинец для повышения октанового числа, но к концу XX века от этой практики отказались из-за экологических рисков. Современное производство бензина учитывает требования экологической безопасности, экономичности и высоких эксплуатационных характеристик.

Бензин представляет собой переработанный нефтепродукт, являющийся легко воспламеняющимся топливом с пониженными детонационными характеристиками. Он специально разработан для работы в двигателях внутреннего сгорания с искровым зажиганием, то есть тех, где воспламенение топливной смеси происходит от электрической искры.

Основным исходным сырьем для получения бензина служит нефть – сложная по составу природная жидкость органического происхождения, состоящая преимущественно из углеводородов с добавлением незначительного количества других органических соединений.

Нефть – это вязкая и легко воспламеняемая жидкость маслянистой консистенции с характерным запахом, добываемая из земных недр. Чаще всего она содержит в себе растворённые газы – природный и попутный газ. На химическом уровне сырье представляет собой смесь соединений углерода (C), водорода (H), серы (S), кислорода (O) и азота (N). Типичные концентрации составляют: углерод – 82–87 %, водород – 11–15 %, сера – 0,01–6 %, кислород – 0–2 %, азот – 0,01–3 %.

Ключевыми компонентами, из которых формируется нефть, выступают углеводороды – органические соединения, состоящие исключительно из атомов углерода и водорода. К простейшим представителям углеводородов относится метан (CH₄), являющийся базовой составляющей природного газа. По структуре молекул они делятся на алифатические (с линейной структурой) и циклические. Также различают насыщенные (парафины и циклопарафины) и ненасыщенные (олефины, ацетилены, ароматические) углеводороды.

Химический состав нефтей варьируется в широком диапазоне: от парафиновых сортов, в которых преобладают насыщенные углеводороды, до нафтеновых и асфальтеновых типов, богатых циклопарафинами и смолами. Между этими крайностями существует множество смешанных и промежуточных вариантов.

Парафиновые сорта нефти чаще содержат большее количество легких фракций и меньшее содержание сернистых соединений, что делает их особенно пригодными для производства моторных масел и парафина. Нафтеновые нефти, напротив, дают меньше бензина, но характеризуются более высокой долей тяжелых фракций, мазута, смол и асфальтов.

Для получения бензина используется разнообразный арсенал технологий и методов переработки нефти. Наиболее распространённые из них включают:

• прямая перегонка (дестилляция),
• термическое расщепление (крекинг),
• каталитическое разрушение крупных молекул,
• реакции по методу Гудри,
• риформинг углеводородов,
• процессы полимеризации,
• алкилирование легких фракций,
• изомеризацию молекул,
• гидрокрекинг с использованием водорода.

Современные бензины обязаны соответствовать множеству эксплуатационных характеристик, обеспечивающих стабильную, эффективную и безопасную работу двигателя внутреннего сгорания. К основным требованиям относятся:

• высокая испаряемость, необходимая для создания равномерной топливно-воздушной смеси при различных температурах;
• оптимальный состав по углеводородным группам, исключающий детонационные процессы во всех режимах эксплуатации;
• стабильность свойств при длительном хранении и химическая инертность к элементам топливной системы, включая резинотехнические изделия.

Дополнительно в последние годы особое внимание уделяется снижению токсичности и повышению экологической безопасности бензинов.

По своей структуре бензин представляет собой сложную смесь углеводородов, включающую: насыщенные соединения (25–61 %), ненасыщенные (13–45 %), нафтеновые (9–71 %) и ароматические углеводороды (4–16 %). Помимо этого, присутствуют микропримеси соединений серы, кислорода и азота.

Бензин – самая летучая и лёгкая из всех жидких фракций нефти. Он выделяется в процессе дистилляции при самых низких температурах, и его фракционный состав определяет такие ключевые характеристики, как удобство холодного запуска, степень полноты сгорания, скорость прогрева, динамика ускорения и общий уровень износа двигателя. Стандарты качества топлива регламентируют температуру выкипания определённых фракций.

Лёгкие фракции отвечают за простоту запуска холодного мотора. Например, чтобы обеспечить уверенный старт при зимних температурах, 10 % топлива должны испаряться уже при 55 °С. Для летнего сезона допускается более высокая температура – до 70 °С. Именно по этой причине зимние сорта бензина содержат больше лёгких компонентов, чем летние. После запуска лёгкие фракции больше не играют роли.

Основной объём топлива составляют рабочие фракции, испаряемость которых оказывает прямое влияние на работу двигателя в широком диапазоне режимов. При этом ключевым критерием служит температура, при которой испаряется 50 % объёма топлива. Узкий температурный интервал между началом и концом испарения свидетельствует о высоком качестве бензина и снижает вероятность конденсации в камере сгорания. Это снижает износ и повышает топливную экономичность. Температура испарения 90 % объёма иногда называется точкой росы топлива.

Бензины по физическим свойствам — это жидкости от бесцветных до светло-желтых оттенков (если не добавлены красители или маркеры). Плотность колеблется от 700 до 780 кг/м³. Продукт характеризуется высокой летучестью и низкой температурой вспышки – в диапазоне от 20 до 40 °С. Кипение начинается при температуре около 30 °С и заканчивается примерно при 200 °С, а застывание наблюдается ниже –60 °С. При сгорании в двигателе бензин полностью окисляется, образуя CO₂ и H₂O. В диапазоне концентраций паров 70–120 г/м³ топливо способно образовывать взрывоопасные смеси с воздухом.

Среди эксплуатационных характеристик бензинов особое значение имеет их способность противостоять детонации — это ключевое качество, от которого напрямую зависит устойчивость двигателя к преждевременному самовоспламенению топливной смеси.

Детонация представляет собой крайне стремительное, фактически взрывное воспламенение топливо-воздушной смеси в камере сгорания. В результате формируются мощные ударные волны, сопровождающиеся различимым металлическим звоном, вибрациями и нестабильной работой силового агрегата. Дополнительным внешним проявлением может служить появление черного дыма из выхлопной системы — признак неполного сгорания топлива.

Детонация может возникать по различным причинам, среди которых можно выделить следующие:

• использование бензина, октановое число которого не соответствует степени сжатия конкретного двигателя;
• преждевременное зажигание смеси, а также наличие большого количества углеродистых отложений внутри камеры сгорания;
• режим работы двигателя с полностью открытой дроссельной заслонкой при малой частоте вращения коленчатого вала.

Если двигатель функционирует продолжительное время в условиях выраженной детонации, это может привести к серьезным поломкам, включая разрушение поршней и прогар клапанов. Поэтому крайне важно исключить подобные режимы эксплуатации.

Стойкость бензинов к детонационным процессам измеряется при помощи октанового числа, которое может определяться двумя независимыми методиками — исследовательской и моторной. Обычно на маркировке топлива указывается метод, с помощью которого определено значение октанового числа: обозначение «И» указывает на исследовательский способ. Чем выше данный показатель, тем больше допустимая степень сжатия в цилиндрах, выше КПД и устойчивость двигателя к вредным детонационным явлениям.

Для объективной оценки применяют эталонную смесь, состоящую из двух углеводородов, принадлежащих к парафиновому ряду: изооктан (С₈Н₁₈) принимается за эталон с максимальной детонационной стойкостью — 100 единиц, а н-гептан (С₇Н₁₆) — за 0. Октановое число испытуемого бензина приравнивается к процентному содержанию изооктана в искусственной смеси с н-гептаном, детонационные характеристики которой соответствуют проверяемому топливу.

Для автомобильных бензинов установлены следующие важнейшие физико-химические свойства, определяющие их пригодность:

• хорошая однородность — для обеспечения стабильной работы двигателя без перебоев в подаче;
• нормированная плотность при температуре +20 °С, находящаяся в диапазоне от 690 до 750 кг/м³;
• низкое значение вязкости, обеспечивающее свободное прохождение бензина через жиклеры карбюратора. Повышенная вязкость нарушает смесеобразование, особенно при пониженных температурах. Так, при изменении температуры окружающей среды с +40 до –40 °С расход топлива через жиклеры может меняться на 20–30 %;
• испаряемость — способность быстро переходить в газообразное состояние. Эта характеристика критична в условиях холодного старта, а также влияет на полноту сгорания смеси и отсутствие паровых пробок в системе питания;
• давление насыщенных паров — важный параметр, ограниченный нормативами. Летом допускается максимум 670 ГПа, а зимой — от 670 до 930 ГПа. При превышении этих значений возникает риск парообразования в системе, снижается объем цилиндров, страдает мощность, и повышаются потери при хранении;
• способность сохранять эксплуатационные свойства при низких температурах — критичный показатель для регионов с суровыми климатическими условиями;
• показатели сгорания. Процесс горения предполагает быструю реакцию взаимодействия углеводородов с кислородом с выделением большого количества тепловой энергии. Температура сгорания паров бензина может достигать от 1500 до 2400 °С, в зависимости от состава и условий работы двигателя.

Следует учитывать, что бензины, применяемые в автомобильной промышленности, обладают различиями не только по физическим параметрам, но и по своему происхождению. Они могут быть получены не только в процессе прямой перегонки сырой нефти, но и в результате переработки попутного газа — такие виды известны как газовые бензины. Также существует разновидность, получаемая из тяжелых нефтяных фракций методом термического или каталитического крекинга — так называемый крекинг-бензин. Каждый из этих типов обладает своим уникальным составом, что сказывается на детонационной стойкости, октановом числе и общей энергетической эффективности.

На территории стран СНГ ведётся производство автомобильных бензинов различных марок, включая:

• А-72,
• А-76,
• А-80,
• АИ-91,
• АИ-92,
• АИ-93,
• АИ-95,
• АИ-98.

Эти бензины представлены в разнообразных вариантах по содержанию этилирующих добавок и сезонному применению:

• с высоким содержанием тетраэтилсвинца (этилированные),
• с ограниченным содержанием свинца (малоэтилированные),
• не содержащие этилирующих веществ (неэтилированные),
• различающиеся по сезонности — летние и зимние формулы.

Следует отметить, что числовые значения для марок А-72, А-76 и А-80 соответствуют октановому числу, определённому по моторному методу. В отличие от них, марки, начинающиеся с «АИ», характеризуются исследовательским способом измерения октанового числа.

Глобальная практика применения автомобильных бензинов демонстрирует значительные региональные отличия. В европейских странах основными распространёнными марками считаются:

• «суперплюс» и «супер» – разновидности неэтилированного топлива, выпускаемого в зимнем и летнем исполнении,
• «премиум» или «европейский» – высокооктановый бензин без свинца, подходящий для большинства двигателей,
• «немецкий» и «итальянский» – этилированные сорта, также присутствующие в летней и зимней версиях,
• «регулар» – базовый неэтилированный бензин для стандартных условий эксплуатации.

На территории Соединённых Штатов Америки применяются следующие категории бензина:

• «регулар»,
• «мидгрейд»,
• «премиум»,
• «суперпремиум».

Бензины, используемые в США, исключительно неэтилированные или содержат предельно допустимые количества свинца – менее 0,0026 г/л. Все марки, включая «регулар» и «премиум», адаптированы для эксплуатации как в летний, так и в зимний период.

В странах Азиатско-Тихоокеанского региона преобладают следующие марки:

• 91RON,
• 92RON,
• 95RON,
• 97RON.

Указанные сорта представлены преимущественно в летнем исполнении и относятся к категории малоэтилированных бензинов, где содержание свинца не превышает 0,01 г/л. Сокращение RON обозначает Research Octane Number — показатель октанового числа, установленного по исследовательской методике.

Необходимо учитывать, что в зависимости от региона октановые показатели могут различаться при одной и той же маркировке, что требует тщательного сопоставления свойств при подборе аналогичных видов топлива.

Современные тенденции на мировом рынке демонстрируют стабильное снижение спроса на топливо с пониженным октановым числом и заметный рост потребления высокооктановых составов.

Характеристики распространённых марок высокооктанового топлива:

• А-92 (Regular motor gasoline). Представляет собой повсеместно используемый бензин стандартного качества. Содержит антидетонационные добавки. В странах СНГ широко распространён в виде этилированного топлива с максимально допустимым содержанием свинца 0,15 г/л, а также в форме неэтилированной продукции — до 0,013 г/л. Массовая доля серы не превышает 0,05 %, а плотность ограничена значением 0,77 г/см³. Октановые числа составляют 83 (по моторному методу) и 92 (по исследовательскому). По эксплуатационным свойствам аналогичен европейскому «регулару» и азиатскому 92RON, однако содержит в среднем на 30 % больше свинца.
• АИ-91 (AI-91 regular motor gasoline). Стандартное моторное топливо, содержащее антидетонационные присадки. Выпускается исключительно в неэтилированном виде (прозрачный цвет), содержание свинца — до 0,013 г/л, серы — не более 0,1 %. Плотностные параметры не регламентированы. Моторное октановое число — 82,5, исследовательское — 91. По техническим характеристикам приближается к европейскому «регулару» и азиатскому 91RON, однако с превышением содержания свинца на 30 %.
• АИ-93 (AI-93 regular motor gasoline). Обычное моторное топливо, выпускаемое в двух вариантах: этилированное (окрашено в оранжево-красный цвет, до 0,37 г/л свинца) и неэтилированное (прозрачное, до 0,013 г/л свинца). Допустимое содержание серы — не более 0,1 %, плотность не нормируется. Октановые характеристики: 85 по моторному и 93 по исследовательскому методу. Для зарубежных поставок производился также этилированный АИ-93 без красителей, со сниженным содержанием свинца до 0,15 г/л и серы – до 0,001 %.
• АИ-95 (AI-95 premium motor gasoline). Улучшенное моторное топливо с повышенной детонационной стойкостью. Содержит эффективные присадки. Производится в неэтилированной форме (прозрачный), где свинца не более 0,013 г/л. Плотность не нормируется. По моторному методу октановое число составляет 85, по исследовательскому — 95. Сравним с марками «премиум» европейского и азиатского рынков, но отличается более высоким содержанием свинца.
• АИ-95 «Экстра» (AI-95 extra premium motor gasoline). Топливо премиального класса, отличающееся улучшенной экологичностью. Производится только в неэтилированной прозрачной форме, полностью свободной от свинца. Плотность — не выше 0,720 г/см³, содержание серы — максимум 0,05 %. Давление насыщенных паров составляет не менее 53,3 кПа (400 мм рт. ст.). Октановые числа – 85 (моторный метод) и 95 (исследовательский). Соответствует азиатскому 95RON и европейскому «премиуму», при этом обладает более благоприятными экологическими характеристиками благодаря отсутствию свинца.

Интересные факты:

• Октановое число бензина — это не уровень «качества», а мера его устойчивости к детонации. Некоторые авиационные бензины могут иметь октановое число выше 100.

• Бензин легко воспламеняется даже от искры статического электричества. Именно поэтому запрещено использовать мобильные телефоны и зажигалки на АЗС.

• Раньше бензин выбрасывался как ненужная фракция при перегонке нефти, пока не был найден способ использовать его в ДВС.

• Этилированный бензин был запрещён во многих странах из-за вреда тетраэтилсвинца — тяжёлого нейротоксичного соединения.

• Современные добавки в бензин не только улучшают его антидетонационные свойства, но и очищают топливную систему, уменьшая вредные выбросы.

Бензин — это не просто топливо, а результат высокотехнологичной переработки нефти, в котором сочетаются химия, физика и инженерия. Его качество напрямую влияет на работу двигателей, ресурс техники и экологическую безопасность. Современные бензины создаются с учётом множества требований — от фракционного состава до устойчивости к детонации, и даже климатических условий.

Понимание свойств и типов бензина позволяет не только правильно выбрать топливо для конкретного двигателя, но и оценить роль нефтепереработки в экономике и экологии. В условиях ужесточения экологических стандартов и роста требований к энергоэффективности, развитие технологий производства бензина остаётся актуальной задачей для химиков, технологов и инженеров всего мира.