Тетраэтилсвинец: решение одной и причина множества новых проблем

С 1920-х по 1970-е годы большинство бензиновых автомобилей в США использовали топливо с примесью свинца. Причиной этого было уменьшение детонационного эффекта двигателя от ненормального сгорания в двигателях внутреннего сгорания того времени. Хотя свинец в форме тетраэтилсвинца был эффективен в этом отношении, даже в 1920-е годы наблюдалось как существование альтернативных антидетонаторов, так и неприятное осознание последствий воздействия свинца на здоровье.

Мы рассмотрим, что послужило причиной внедрения тетраэтилсвинца и почему от него отказались, когда в центре внимания оказались проблемы, связанные с окружающей средой и здоровьем. А как насчет его антидетонационного эффекта? Мы также рассмотрим альтернативные антидетонационные средства, которые пришли им на смену, и то, как в наши дни решается проблема детонации двигателя.

В двигателе внутреннего сгорания (ДВС) в идеале топливовоздушная смесь, впрыскиваемая в цилиндр, воспламеняется в идеальный момент, когда фронт пламени движется наружу от точки воспламенения, при этом сгорает каждая частица топливовоздушной смеси. вверх полностью. Это позволит максимально использовать энергию топливной смеси, обеспечивая при этом чистый ход поршня.

В действительности, однако, карманы этой топливно-воздушной смеси воспламеняются до того, как фронт пламени достигнет их. Это так называемое «холодное пламя» возникает из-за сжатия поршня в сочетании с небольшой неравномерностью смеси, вызывающей дополнительные волны давления в цилиндре. Это повышает давление в цилиндре и вызывает типичный металлический звон, указывающий на детонацию двигателя. В зависимости от того, сколько таких очагов воспламеняется за пределами фронта пламени свечи зажигания, результатом может стать повышенный износ компонентов или даже их полное разрушение.

При этом октановое число топлива имеет решающее значение, поскольку оно по существу определяет, при каком уровне сжатия топливо воспламенится (без искры). Таким образом, высокооктановое топливо горит труднее, но допускает гораздо более высокий уровень сжатия, что эффективно производит больше мощности. Напротив, дизельным двигателям требуется топливо с более низким октановым числом, поскольку они сжимают только воздух, при этом топливо впрыскивается в конце цикла сжатия, а тепло от сжатого воздуха воспламеняет топливо.

К счастью, существует ряд способов предотвратить эффект преждевременного возгорания. К ним относятся:

Выбрать первый пункт можно, воспользовавшись так называемым антидетонатором – химическим веществом, повышающим октановое число топлива за счет повышения температуры и давления, при которых происходит самовоспламенение. Тетраэтилсвинец (TEL) является одним из примеров такого агента. Его химическая формула: (CH3CH2)4Pb.

Внутри цилиндров двигателя функция TEL состоит в том, чтобы погасить самопроизвольные возгорания, возникающие за пределами фронта пламени, путем борьбы с пиролизованными радикалами, которые в противном случае поддерживали бы цепную реакцию холодного пламени. Здесь свинец является фактическим реактивным агентом, а остальная часть TEL служит для растворения его в бензине (благодаря его алкильным группам).

При сгорании TEL выделяется углекислый газ, вода и свинец:

Свинец может в дальнейшем реагировать с кислородом с образованием оксида свинца(II):

Если оставить их в покое, свинец и оксид свинца (II) будут накапливаться внутри двигателя и разрушать его. Чтобы предотвратить это, добавляются поглотители свинца, такие как 1,2-дибромэтан и 1,2-дихлорэтан, с образованием бромида свинца (II) и хлорида свинца (II) соответственно (к сожалению, ни один из них не так хорош, как йодид свинца (II). Эти соединения легко удаляются из двигателя при нормальной работе, откуда они могут попасть в окружающую среду.

Помимо свинца было известно еще два вещества, повышающих октановое число бензинового топлива: этанол (C2H6O) и бензол (C6H6). Для этанола такое свойство повышения октанового числа обусловлено тем, что этанол подходит в качестве полной (хотя и более дорогой) замены бензинового топлива. Поскольку этанол по умолчанию имеет более высокое октановое число, чем большинство бензиновых топлив, смешивание определенного процента этанола с бензиновым топливом приводит к тому, что последнее имеет более высокое октановое число, что обеспечивает желаемый антидетонационный эффект.