Методы оценки детонационной стойкости топлив

Среди множества факторов, определяющих возникновение детонации, основную роль играет детонационная стойкость топлива, оцениваемая его октановым числом (ОЧ). Чем выше ОЧ используемого топлива, тем при прочих равных условиях менее вероятно возникновение детонации. Следует отметить, что до середины прошлого столетия широко использовались и другие способы оценки: методы критической степени сжатия и топливных эквивалентов, в частности анилинового, бензольного и толуольного [23]. В настоящее время показатель ОЧ также не является единственным используемым методом оценки детонационной стойкости.

ОЧ топлива – условная единица измерения его детонационной стойкости, численно равная процентному по объему содержанию изооктана (2,2,4-триметилпентана – С₈Н₁₈) в его смеси с нормальным гептаном (н-С₇Н₁₆) – эталонной смеси, эквивалентной по детонационной стойкости данному топливу в стандартных условиях испытания.

Изооктан и н-гептан обладают весьма сходными физико-химическими свойствами и близкими к современным бензинам. Детонационную стойкость изооктана принимают равной 100, гептана – равной 0. Варьируя cодержание этих компонентов в эталонной смеси, можно изменять ее детонационную стойкость в диапазоне от 0 до 100. Если, например, в смеси содержится 92 % изооктана и 8 % гептана, то ОЧ такого топлива равно 92. В зависимости от условий и режимов испытаний топлив различают моторный и исследовательский методы определения ОЧ, разрабо танные в 1927–1928 гг.

Моторный метод имитирует работу двигателя на форсированных режимах при достаточно больших и длительных нагрузках, характерных для трассового движения транспорта.

Исследовательский метод фактически имитирует работу двигателя, характерную для внутригородского движения, т. е. при меньших нагрузках.

Полученные различными методами ОЧ отличаются, поэтому вводят индексы ОЧМ для моторного и ОЧИ для исследовательского методов. Разность между ОЧИ и ОЧМ, составляющая 2…12 ед. ОЧ, называют чувствительностью бензина. Эта величина характеризует возможные отклонения детонационной стойкости бензина в реальных условиях эксплуатации от стойкости, определенной лабораторными методами. Чем больше чувствительность бензина, тем выше его детонационная стойкость на неустановившихся режимах работы двигателя.

Для определения ОЧМ (ГОСТ 511–82) и ОЧИ (ГОСТ 8226–82) автомобильных бензинов применяется одноцилиндровый лабораторный двигатель с переменной степенью сжатия – от 4 до 10 (рис. 14). Вначале устанавливают стандартную степень сжатия для данного вида топлива и, изменяя уровень топлива в поплавковой камере карбюратора, получают стандартную интенсивность детонации, замеряемую по указателю детонации [39]. После этого приступают к сравнению используемого топлива со смесями эталонных топлив, различающихся между собой не более чем на две октановые единицы, из которых одна смесь детонирует сильнее, а другая слабее, чем образец топлива, подлежащий испытанию. При испытаниях, проводимых троекратно, состав топливовоздушной смеси регулируется на максимальную интенсивность детонации. Если необходимо определить ОЧ топлива, превышающее 100 единиц, то в качестве эталонной смеси применяют изооктан с различным содержанием тетраэтилсвинца (ТЭС). Добавка 0,49 мл ТЭС на 1 кг изооктана увеличивает ОЧ топлива до 110 единиц, добавка 1,59 мл – до 120 ед.

Методы определения ОЧИ и ОЧМ отличаются различными режимами работы лабораторного двигателя. Скорость вращения коленчатого вала при определении ОЧИ составляет 600 об/мин, при определении ОЧМ – 900 об/мин. Кроме того, при определении ОЧМ топливовоздушную смесь после карбюратора подогревают до температуры 422 К, степень сжатия в данном случае выше, а угол опережения зажигания переменный и больше, чем при определении ОЧИ. Эти отличия приводят к тому, что для одного топлива обычно ОЧИ больше, чем ОЧМ.

В реальных условиях эксплуатации на конкретном типе двигателя антидетонационные свойства бензина могут оказаться отличными от тех, которые получены в условиях лабораторных испытаний. Это определяется конструктивными особенностями данного двигателя (формой камеры сгорания, степенью сжатия, типом охлаждения), характерными режимами его работы и количеством нагара в камере сгорания.

С целью определения фактического октанового числа (ФОЧ) по ГОСТ 10373–75 проводят стендовые или дорожные испытания (дорожное октановое число – ДОЧ) в условиях эксплуатации моторной установки. ФОЧ обычно находится в пределах между ОЧИ и ОЧМ, но может оказаться как больше, так и меньше этих чисел. С увеличением нагрузки на двигатель при неизменных оборотах – по нагрузочной характеристике – обычно наблюдается уменьшение ФОЧ. С увеличением оборотов коленчатого вала при умеренной нагрузке благодаря росту турбулизации заряда и скорости сгорания наблюдается увеличение ФОЧ. По внешней скоростной характеристике наиболее детонационноопасны режимы работы вблизи максимального крутящего момента, что связано с максимальным наполнением цилиндра и с максимальными величинами нагрузки на двигатель. В режиме номинальной мощности (номинальные обороты при полном дросселе) на исправном двигателе детонация проявляет себя крайне редко, что связано с фактором скорости и уменьшением наполнения цилиндров свежим зарядом.

Очень важная характеристика современных бензинов – октановое число распределения (ОЧИР), характеризующее распределение антидетонационных свойств топлива по фракциям (ГОСТ 26370–84). Антидетона ционные свойства различных групп углеводородов в зависимости от количества атомов углерода в молекуле изменяются неодинаково. К примеру, детонационная стойкость н-парафиновых и олефиновых углеводородов снижается с ростом числа атомов углерода, а у ароматиков и изопарафинов, наоборот, несколько увеличивается.

Распределение различных групп углеводородов в бензине по фракциям неоднородно. В итоге легкие и средние фракции бензина имеют детонационную стойкость несколько ниже, чем у высококипящих фракций (рис. 15). В условиях эксплуатации это проявляет себя снижением ФОЧ и появлением детонации на режимах быстрого увеличения нагрузки (ускорения) в связи с тем, что на этих режимах рабочая смесь принудительно обогащается, а легкие и средние фракции испаряются быстрее. Особенно это явление характерно для карбюраторных двигателей, где тяжелые высокооктановые фракции осаждаются на стенках впускного трубопровода и их испарение становится несколько растянутым во времени. С этой точки зрения применение бензинов без антидетонаторов с относительно ровной характеристикой ОЧИР более предпочтительно и является некоторым резервом снижения требуемого ОЧ топлива для бензиновых двигателей.

Описанные выше методы оценки антидетонационных свойств топлива фактически проводятся на относительно бедном составе топливовоздушной смеси. Для авиационных бензиновых двигателей этого оказывается недостаточно, поскольку наиболее важный режим их работы – взлетный, реализуемый при максимальном обогащении. В связи с этим для них проводят испытания на сортность на богатой смеси при a = 0,6…0,7.

Сортность топлива численно равна сортности такого эталонного топлива, которое в стандартных условиях испытаний на режиме начальной детонации имеет одинаковое с испытуемым топливом значение среднего индикаторного давления.

Другими словами, сортность – это выраженная в процентах индикаторная мощность двигателя, развиваемая на испытуемом топливе, по сравнению с мощностью, развиваемой им при работе на техническом эталонном изооктане в условиях начальной детонации. Чем выше сортность топлива, тем выше его детонационная стойкость на богатой смеси в условиях взлетного режима авиационного двигателя.

Определяют сортность на стандартной одноцилиндровой установке ИТ9-1 (ГОСТ 3338–68). Повышение мощности обеспечивается увеличением наддува. В качестве эталонных топлив используют смеси ТЭИ с различным содержанием ТЭС. Данный метод предназначен для определения антидетонационных свойств только авиационных бензинов с ОЧМ = 90…115 ед.

3.3.3. Критерии выбора топлива по характеристикам
детонационной стойкости

Для каждого двигателя должно применяться строго предназначенное для него топливо с оптимальным ОЧ. Если ОЧ низкое – возникает детонация, если ОЧ высокое, то при неизменном угле опережения зажигания процесс сгорания затягивается, падает мощность, растет удельный расход топлива, двигатель перегревается, увеличивается вероятность прогара выпускных клапанов. Оптимальным значением ОЧ применяемого топлива следует считать такое, при котором на наиболее детонационноопасных режимах двигатель работал бы на границе возникновения детонации или в случае кратковременной детонации (не более 5 % смеси).

Выбор топлива для бензинового двигателя по характеристикам детонационной стойкости определяют три группы факторов: конструктивные, эксплуатационные и свойства самого топлива.

К конструктивным факторам в первую очередь относят степень сжатия e, а также форму и диаметр камеры сгорания. В общем случае чем выше степень сжатия и больше диаметр камеры, тем больше возможностей для возникновения детонации. Камеру сгорания желательно иметь наиболее компактной. Наличие длинных узких щелей, определяемых формой камеры сгорания вблизи ВМТ, в совокупности с высокой температурой стенок увеличивает склонность данной КС к детонации. В табл. 7 приведены ориентировочные данные для выбора степени сжатия автомобильных двигателей.

Таблица 7. Ориентировочные значения действительной степени

сжатия e_д и максимального давления сгорания P _z для