На старте яркие футуристические машины — болиды «Формулы-1» , «королевы» автоспорта. Едва заслышав могучий рык моторов, задумы ваешься: каким же должно быть топливо, чтобы придать гоночным машинам такую сумасшедшую динамику?
ПОИСК ФОРМУЛЫ
Гоночное топливо отличается от того, что используется в обычных автомобилях. Болидам, помимо множества других качеств, необходима высокая удельная мощность двигателя. Важную роль играет калорийность — это количество теплоты, выделяющееся при сгорании одного килограмма топлива. Если за секунду сжечь много топлива, получится большое количество тепла, и благодаря этому мощность мотора можно увеличить.
На заре гонок «Формулы-1» горючее представляло собой коктейль из бензина высокой очистки и бензола, метанола, ацетона, керосина и других углеводородов. Разрабатывая особую формулу и выявляя максимально подходящие пропорции, химики добивались повышенной плотности топлива.
При увеличении плотности бензина повышалась и масса, но объём оставался в пределах, регламентированных гонками. А чем выше плотность, тем больше тепла выделится при сгорании: такой трюк приводит к приросту мощности на несколько процентов.
Позже в технических регламентах гонки запретили добавки и присадки, которых не бывает в коммерческом бензине. Но инженеры по-прежнему варьируют содержание компонентов и разрешённых добавок, стараясь заставить топливную смесь сгорать с максимальной отдачей. Каждый сбережённый грамм, каждая лишняя калория энергии означают преимущество, которое предстоит реализовать пилоту болида.
Топливо применяется для питания двигателя внутреннего сгорания — это тепловая машина, которая преобразует внутреннюю энергию бензина в механическую работу путём химической реакции с выделением большого количества тепла.
Рабочий процесс совершается за четыре такта — четыре хода поршня.
СЕРДЦЕ АВТОМОБИЛЬНОГО ДВИГАТЕЛЯ
Впуск В первом такте через впускной клапан всасывается смесь воздуха и распылённого топлива. Поршень действует как насос, создавая в камере пониженное давление. Вся камера сгорания заполнена горючей смесью, впускной клапан закрывается.
Сжатие Второй такт — сжатие. Поршень выступает в роли пресса, сдавливающего смесь в 10 и более раз (в гоночных двигателях степень сжатия достигает 15). При сжатии давление смеси возрастает до 15–16 атмо сфер, а её температура повышается на несколько сот градусов
Расширение Третий такт называется рабочим ходом: в свече зажигания проскакивает искра, от которой воспламеняется смесь. При сгорании выделяется тепло, которое разогревает газы в цилин дре и повышает их давление. Давление, в свою очередь, передаётся на поршень.
Выпуск В последнем такте из камеры сгорания через выпускной клапан выталкиваются выхлопные газы и остатки топлива — цилиндр готов к новому циклу. Работа всех узлов двигателя должна быть синхронизирована. Задача серьёзно усложняется, когда речь идёт о многоцилиндровых моторах. Только представьте, что может произойти, если бензин будет вести себя не так, как задумал конструктор?
О ВРЕДЕ ВСПЫЛЬЧИВОСТИ
Логику и последовательность работы мотора кардинально может изменить самопроизвольное воспламенение топлива в такте сжатия. Ещё один нежелательный вариант — детонация, резкое увеличение скорости воспламенения и сгорания топлива, которое сопровождается скачкообразным ростом давления в камере сгорания. Фронт пламени при детонации распространяется со скоростью, близкой к 680 м/c! Это губительно для поршня и цилиндра: сверхзвуковые ударные волны срывают масляную плёнку, без которой износ цилиндра и поршневых колец возрастает в разы, перегревается и деформируется цилиндр и т. д.
Почему же возникает детонация? Если исключить механические причины, то главной причиной будут специфические свойства бензина. Бензин — продукт перегонки нефти, её легчайшая фракция, которая закипает при температуре около 180 °C и состоит из лёгких углеводородов — гептана (С₇Н₁₆), у которого атомы углерода выстроены в цепочку; циклогексана (С₆Н₁₂) с кольцевой структурой; похожего на него кольцевого гептилена (С₇Н₁₄); бензола (С₆Н₆), относящегося к так называемым ароматическим углеводородам; и изооктана (С₈Н₁₈), представляющего собой разветвлённую цепочку атомов углерода. Компоненты бензина не зря перечислены в таком порядке: именно гептан детонирует легче всего, а изооктан дольше всех сопротивляется сжатию и нагреву без взрывной реакции.
В начале прошлого века бензин получали из нефти методом прямой перегонки (ректификации). Выход топлива был небольшим: из тонны нефти получалось всего 150–170 килограммов бензина, при этом в нём преобладали гептаны и гексаны. У такого бензина была низкая детонационная стойкость, и добиться большой степени сжатия было невозможно. Для получения достаточной мощности конструкторы были вынуждены строить тяжёлые и сложные многоцилиндровые механизмы.
Положение изменилось, когда на смену прямой перегонке нефти пришёл метод крекинга (термического и каталитического). Он заключался в разбивании молекул тяжёлых углеводородов на меньшие части, среди которых получались молекулы компонентов бензиновой фракции. Такой экстремальный способ нефтепереработки требовал высоких температур и больших давлений, намного превосходя по сложности простую перегонку. Но результат оправдывал усилия: выход бензина достигал 50 %, и преимущественную часть его компонентов составляли бензол и изооктан.
ОКТАНОВЫЙ БАРЬЕР
Появление на рынке высококачественного топлива развязало руки авиастроителям: в их распоряжении появились лёгкие и мощные моторы с высокой степенью сжатия, что сразу же сказалось на лётных и скоростных качествах самолётов. Что же подразумевается под высоким качеством? Вопреки ожиданиям, это не теплота сгорания. Не является определяющей и степень очистки бензина: содержание примесей радикально не отличается у дешёвых и дорогих марок. Мы сталкиваемся с парадоксом: чем хуже воспламеняется бензин, тем он лучше и дороже! Значит, основной показатель качества бензина — его способность воспламеняться и сгорать в цилиндрах двигателя без нежелательных взрывных процессов.
И хотя химики находятся в постоянном поиске наиболее оптимальной формулы топлива, есть деталь, которая всегда на первом месте — октановое число бензина. Качественно октановое число характеризует способность противостоять детонации— и, как мы помним, самым стойким по отношению к детонации является изооктан. Он и стал эталоном, по которому определяются свойства топлива. Антидетонационное качество изооктана принимают равным 100 единицам.
Октановое число бензина определяют в специальных двигателях с изменяемой степенью сжатия, где в камеру сгорания вмонтирован датчик давления. При детонации давление увеличивается скачкообразно. Метод тестирования прост: проверяемый бензин доводят до детонации, фиксируют степень сжатия, а затем подбирают такую эталонную смесь с известным содержанием изооктана и гептана, которая детонирует при тех же условиях. Процентное содержание изооктана в эталонной смеси и будет октановым числом. Любопытно, что в проверяемом бензине может вообще не быть ни гептана, ни изооктана.
Однако 100 — не предел для октанового числа. Как выяснилось позже, самыми стойкими к детонации оказались углеводо роды, имеющие в структуре молекул так называемое бензольное кольцо. Это сам бензол, а также его производные: толуол, ксилол, этилбензол и т. д. Их октановые числа зашкаливают за сотню. Эти углеводороды называют ароматическими, хотя к парфюмерии бензолы имеют сугубо косвенное отношение. Специальные добавки и присадки повышают антидетонационные свойства бензина. Самыми эффективными из них долгое время оставались органические соединения свинца, повышающие октановое число на 8–10 единиц — например, тетраэтил свинец, применяемый с середины 20-х годов прошлого века. Только исключительная токсичность свинца заставила отказаться от этилированного бензина и перейти на сравнительно безопасные эфиры и спирты, теоретически способные поднять октановое число до 115 единиц. Но зачем нужна эта гонка октановых чисел, ведь теплотворная способность бензина от этого практически не зависит? Всё просто: чем больше октановое число, тем выше степень сжатия и зависящая от неё удельная мощность мотора.
Однако нормативы «Формулы-1» строго ограничивают наивысшее октановое число топлива — показатель должен находиться в пределах 95–102 единиц. Горючее, производимое различными компаниями для гоночных команд, почти не отличается от марки к марке: состав на 99 % должен состоять из обычного высокооктанового бен зина, и лишь над оставшимся одним процентом, разрешённым к изменениям, ведётся постоянная дорогостоящая работа. Поэтому бензин для «Формулы-1» стоит огромные суммы, а разрабатывают топливо для «королевских» гонок с неменьшим тщанием, чем сами болиды.
