Αριθμός οκτανίου

Ο αριθμός οκτανίου (επίσης: αριθμός οκτανίων ή και απλώς οκτάνια) είναι ένα μέτρο της ποιότητας των καυσίμων για μηχανές εσωτερικής καύσης και ιδιαίτερα της βενζίνης. Δείχνει το βαθμό αντικρουστικής ικανότητας μιας βενζίνης. Ο αντίστοιχος αριθμός για καύσιμα με βάση το πετρέλαιο, καλείται αριθμός κετανίου.

Αντικρουστική ικανότητα
Ο αριθμός οκτανίου είναι ένα μέτρο της τάσεως ενός καυσίμου για την εμφάνιση “κτυπήματος” (knock) στον βενζινοκινητήρα. Η βενζίνη μπαίνει στους κυλίνδρους σε μια μηχανή εσωτερικής καύσης μαζί με αέρα. Μέσα στους κυλίνδρους το μείγμα καυσίμου – αέρα βρίσκεται υπό πίεση και αναφλέγεται με τη βοήθεια των σπινθηριστών (μπουζί). Όταν όμως η πίεση ξεπεράσει κάποιο όριο, το οποίο εξαρτάται από την ποιότητα του καυσίμου, τότε η ανάφλεξη δεν γίνεται κανονικά αλλά αντίθετα προκαλείται αυτανάφλεξη του καυσίμου. Τότε ακούγεται ένας χαρακτηριστικός ήχος, το “κτύπημα”, ο οποίος δημιουργείται από την επίδραση του κρουστικού κύματος της πρόωρης έκρηξης του καυσίμου στα τοιχώματα του κυλίνδρου του κινητήρα. Αποτέλεσμα του φαινομένου αυτού είναι η μείωση της ενεργειακής απόδοσης του κινητήρα αλλά και η φθορά των κυλίνδρων της μηχανής.

Το “κτύπημα” δεν εμφανίζεται στην ίδια πίεση σε όλες τις βενζίνες καθώς αυτή εξαρτάται από μια σημαντική ιδιότητά τους, την θερμοκρασία αυτανάφλεξης. Όσο υψηλότερη είναι η θερμοκρασία αυτή τόσο μεγαλύτερη αντικρουστική ικανότητα εμφανίζει μία βενζίνη, δηλαδή τόσο περισσότερο μπορεί να συμπιεστεί χωρίς να δώσει κτύπημα. Είναι ευνόητο ότι το καύσιμο που μπορεί να συμπιεστεί περισσότερο θεωρείται και καλύτερης ποιότητας καθώς αυξάνεται η ενεργειακή απόδοση του κινητήρα.

Κλίμακα οκτανίου
Όσο μεγαλύτερος είναι ο αριθμός οκτανίου ενός καυσίμου τόσο μεγαλύτερη είναι και η επιτρεπόμενη σχέση συμπιέσεως, άρα και η ενεργειακή απόδοση του κινητήρα. Για να μπορέσουν λοιπόν να βαθμολογηθούν και να συγκριθούν οι διάφοροι τύποι βενζίνης καθιερώθηκε η λεγόμενη “κλίμακα οκτανίου”. Το μηδέν αυτής της κλίμακας αποτελεί το κανονικό επτάνιο και το εκατό το ισοοκτάνιο (2,2,4-τριμεθυλο-πεντάνιο). Αυτό σημαίνει ότι το n-επτάνιο εμφανίζει το κτύπημα του κινητήρα σε χαμηλές τιμές συμπιέσεως ενώ αντίθετα το ισοοκτάνιο αντέχει σε υψηλότερες συμπιέσεις. Η ανάμιξη n-επτανίου και ισοοκτανίου παρέχει προϊόντα με οποιονδήποτε αριθμό οκτανίου από 0 μέχρι 100.

Με βάση τα παραπάνω ο αριθμός οκτανίου ενός καυσίμου ορίζεται ως η % ποσότητα (κατ' όγκο) ισοοκτανίου (2,2,4-τριμεθυλο-πεντάνιο) σε πρότυπο μίγμα με n-επτάνιο έτσι ώστε αυτό το μίγμα να  παρουσιάζει την ίδια αντικροτική συμπεριφορά (χτύπος της μηχανής) με το εξεταζόμενο καύσιμο. Έτσι, βενζίνη αριθμού οκτανίου 80 είναι εκείνη η οποία συμπεριφέρεται όπως το μείγμα που αποτελείται από 80% ισοοκτάνιο και 20% n-επτάνιο.

Μέτρηση αριθμού οκτανίου
Ο προσδιορισμός του αριθμού οκτανίου μιας βενζίνης γίνεται με τη βοήθεια ενός πρότυπου κινητήρα, στον οποίο αρχικά μπαίνει η εξεταζόμενη βενζίνη και μετριέται η συμπίεση στην οποία ακούγεται το κτύπημα. Έπειτα, μπαίνει κανονικό επτάνιο στο οποίο προστίθεται ισοοκτάνιο ωσότου ακουστεί το κτύπημα στην ίδια πίεση με εκείνη της εξεταζόμενης βενζίνης. Το επί της εκατό ποσοστό του ισοοκτανίου που υπάρχει στο μείγμα δίνει τον αριθμό οκτανίου της βενζίνης.

Η ενεργειακή απόδοση ενός καυσίμου μπορεί να εκτιμηθεί με περισσότερους από ένα αριθμούς οκτανίου και αυτό το γεγονός μπορεί να προκαλέσει σύγχυση. Γι' αυτό το λόγο έχουν καθοριστεί δύο μέθοδοι προσδιορισμού του αριθμού οκτανίου, η μέθοδος ερευνητικής δοκιμασίας (Research Test Method) που δίνει τον αριθμό οκτανίου έρευνας (Research octane number, RON) και η μέθοδος δοκιμασίας κινητήρα (Motor Test Method) που δίνει τον αριθμό οκτανίου κινητήρα (Motor octane number, MON). Και οι δύο μέθοδοι είναι εργαστηριακές και διαφέρουν στις συνθήκες δοκιμασίας του καυσίμου, δηλαδή στην θερμοκρασία προθερμάνσεως του αέρα, στο χρόνο αναφλέξεως του μίγματος καυσίμου – αέρα και στην ταχύτητα του κινητήρα. Γενικά, η μέθοδος δοκιμασίας κινητήρα χρησιμοποιεί εντονότερες συνθήκες από τη μέθοδο ερευνητικής δοκιμασίας, γι' αυτό ο RON ενός καυσίμου είναι υψηλότερος από τον MON. Η διαφορά μεταξύ των δύο τιμών χρησιμοποιείται ως δείκτης ευαισθησίας του καυσίμου και επιτρέπει μια εκτίμηση της ανταποκρίσεως του καυσίμου σε μεταβολές της μηχανής και σε διάφορες συνθήκες λειτουργίας.

Τέλος, οι εταιρίες πετρελαιοειδών διαθέτουν δύο πρόσθετες δοκιμασίες οι οποίες γίνονται είτε φέρνοντας το αυτοκίνητο απευθείας στο δρόμο είτε τοποθετώντας το πάνω σε σασί-δυναμόμετρο. Οι τιμές που λαμβάνονται με αυτές τις δοκιμασίες ονομάζονται οδικοί αριθμοί οκτανίου (Road octane numbers, RdON). Επειδή οι οδικοί αριθμοί οκτανίου είναι δυσκολότερο και δαπανηρότερο να ληφθούν, πολλές φορές προτιμάται η εκτίμησή του ως ο μέσος όρος των RON και MON.

Η κλίμακα οκτανίου μπορεί να προεκταθεί προς τιμές υψηλότερες από 100, αφού το ισοοκτάνιο δεν είναι η ουσία με τη μεγαλύτερη αντικρουστική ικανότητα. Έτσι για παράδειγμα η αιθανόλη έχει RON ίσο με 129. Σε αυτή την περίπτωση ως καύσιμα συγκρίσεως λαμβάνονται μίγματα ισοοκτανίου και τετρααιθυλο-μολύβδου.

Αριθμός οκτανίου υδρογονανθράκων
Ο αριθμός οκτανίου εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από τη μοριακή δομή μιας χημικής ένωσης. Στον παρακάτω πίνακα δίνονται οι αριθμοί οκτανίου κινητήρα (ΜΟΝ) διαφόρων υδρογονανθράκων:

Όπως φαίνεται και από τον πίνακα, ο αριθμός οκτανίου γενικά μειώνεται με την αύξηση του αριθμού των ατόμων άνθρακα για ενώσεις της ίδιας κατηγορίας, ενώ τα διακλαδισμένα αλκάνια, τα αλκένια και ειδικότερα οι αρωματικοί υδρογονάνθρακες εμφανίζουν υψηλό αριθμό οκτανίου.

Στα διακλαδισμένα αλκάνια εξαρτάται από τον αριθμό, την θέση και το μέγεθος των διακλαδώσεων. Οι ισοπαραφίνες με πολλές πλευρικές μεθυλομάδες έχουν τον υψηλότερο αριθμό οκτανίου.

Τα κανονικά αλκάνια (χωρίς διακλαδώσεις) έχουν πολύ χαμηλό αριθμό οκτανίου για αλυσίδες με παραπάνω από πέντε άτομα άνθρακα.

Το βενζόλιο και τα μέθυλο-βενζόλια έχουν υψηλούς αριθμούς οκτανίου, ενώ όσο οι υποκαταστάτες αλλάζουν από μεθύλια σε αλκύλια με περισσότερα άτομα άνθρακα, μειώνεται και ο αριθμός οκτανίου.

Τέλος τα ναφθένια βρίσκονται ανάμεσα στα κανονικά αλκάνια και τους αρωματικούς υδρογονάνθρακες, με τους υποκαταστάστες να έχουν παρόμοια επίδραση με αυτή των αρωματικών υδρογονανθράκων.

Αντικροτικά πρόσθετα
Η βελτίωση της ποιότητας μιας βενζίνης μπορεί να επιτευχθεί με προσθήκη ουσιών που ονομάζονται αντικτυπικά ή αντικροτικά (anti-knocks). Αυτές οι ενώσεις μεταθέτουν το “κτύπημα” του κινητήρα σε υψηλότερες τιμές συμπιέσεως, με αποτέλεσμα την αύξηση του αριθμού οκτανίου της βενζίνης. Ως αντικτυπικό, στο παρελθόν χρησιμοποιήθηκε συνήθως ο τετρααιθυλο-μόλυβδος [(C2H5)4Pb]. Μια τέτοια προσθήκη μπορεί να αυξήσει τον αριθμό οκτανίου από 3 μέχρι 20 μονάδες, ανάλογα με την ποσότητα που χρησιμοποιείται και ανάλογα με τον τύπο της βενζίνης. Επίσης, έχει προταθεί και η προσθήκη κατάλληλων ενώσεων μαγγανίου, καθώς και αλκοολών.

Ο τετρααιθυλο-μόλυβδος χρησιμοποιήθηκε και σαν λιπαντικό, δηλαδή δημιουργούσε επικαθίσεις που λίπαιναν τις έδρες των βαλβίδων. Ο μόλυβδος όμως, αφενός είναι ένα επικίνδυνο και τοξικό δηλητήριο και αφετέρου δημιουργεί πρόβλημα στους καταλυτικούς μετατροπείς καυσαερίων. Οι τελευταίοι υιοθετήθηκαν στα περισσότερα αυτοκίνητα από το 1990 - 1991 και από το 1992 έγιναν υποχρεωτικοί σε όλα τα κράτη της Ευρωπαϊκής Ένωσης, ενώ σήμερα υπάρχουν και σε πολλές μοτοσικλέτες. Σταδιακά, για τα αυτοκίνητα αυτά άρχισε η διάθεση της αμόλυβδης βενζίνης, στην οποία εισήχθησαν αλκοόλες και αιθέρες. Αρχικά, συνέχισε να διατίθεται παράλληλα και η κλασική βενζίνη με μόλυβδο (Super βενζίνη) για τα παλαιότερα οχήματα.

Η αμόλυβδη σαν αντικροτικό πρόσθετο είχε σε αντικατάσταση του μολύβδου κυρίως κυκλικούς αρωματικούς υδρογονάνθρακες, όπως το βενζόλιο. Οι ενώσεις αυτές είναι οι περισσότερες επιβλαβείς για την υγεία, αλλά ένας κινητήρας με αισθητήρα λ και καταλύτη ουσιαστικά εξομοιώνει τα καυσαέρια μιας τέλειας καύσης και τους διασπά σε απλούστερες ενώσεις όπως το μονοξείδιο και διοξείδιο του άνθρακα.

Για τα αυτοκίνητα χωρίς καταλύτη και αισθητήρα λ η βενζίνη με μόλυβδο συνέχισε να διατίθεται στην αγορά έως ότου σταδιακά καταργήθηκε καθώς τα παλαιότερα αυτοκίνητα αποσύρονταν από την κυκλοφορία.

Βιβλιογραφία
Παπαγεωργίου Β.Π., “Εφαρμοσμένη Οργανική Χημεία: Άκυκλες Ενώσεις”, Εκδόσεις Παρατηρητής, Θεσσαλονίκη 1986.
Chevron – Hydrocarbon Chemistry.
ROBOTPIG.NET – Βενζίνες υψηλών οκτανίων / μόλυβδος.

Πετρέλαιο
Κλίμακες