Антидетонаційні властивості палива, поняття детонації двигуна

 

Одним із можливих способів забезпечення повного згоряння палива і використання здобутої енергії у двитуні є підвищення ступеня стиску палива. Проте на шляху реалізації цього способу несподівано виникла дуже серйозна проблема: бензин, який добре згоряє у двигунах з низьким ступенем стиску, погано горить при високому ступені його стиску. При цьому двигун стукає, температура циліндрів підвищується, потужність спадає, а відпрацьовані гази стають чорними та руйнують деталі двигуна. Це явище дістало назву детонації двигуна. Згодом було встановлено, що якщо швидкість поширення полум'я при нормальній роботі двигуна дорівнює 15...25 м/с, то в детонуючому двигуні деяка частка суміші парів бензину з повітрям згорає не поступово, а вибухає. При цьому вибухова хвиля поширюється зі швидкістю, в 100 разів більшою (1500...2500 м/с). Це явище, на думку ака деміків А.Н. Беха, М.М. Семенова, С.О. Соколика, до моменту згоряння суміші супроводжується утворенням вибухової речовини – перекису.

Природа детонації дуже складна і багато чого ще залишається нез'ясованим. Незважаючи на це, все ж навчились усувати детонацію та запобігати її виникненню.

Установлено, що чим вища температура, тим більша швидкість окиснення вуглеводнів. У бензинових двигунах тиск у кінці такту стиску становить 1,0...1,07 МПа, а температура – 330...340 °С. За цих умов швидкість окиснення вуглеводнів збільшується, особливо вона зростає після спалаху робочої суміші, що сприяє утворенню великої кількості перокисних сполук. Особливо довго високі температура і тиск діють на останні порції незгорілого палива. Тому в них утворюється багато пероксидів та з'являються умови для переходу нормального згоряння палива в детонаційне.

Якщо двигун працює на бензині, при окисненні якого в останніх порціях робочої суміші утворюється багато пероксидів і концентрація їх може досягти критичного значення, то відбувається вибухове розкладання цих сполук. Спочатку спостерігається холоднополуменеве окиснення з виділенням 5... 10 % загальної теплоти згоряння, а температура суміші трохи підвищується. Виникає світіння суміші – «холодне полум'я», продуктами згоряння якого є альдегіди й оксид вуглецю, а не продуктами повного згоряння – діоксид вуглецю та вода. «Холодне полум'я» поширюється дифузією у свіжу горючу суміш.

Внаслідок цього утворюється активна суміш, що підлягає подальшому окисненню. Далі відбувається нове вибухове розкладання перок-сидних сполук з утягненням у реакцію більшої маси горючої суміші. Виникає «вторинне холодне полум'я», в якому виділяється приблизно половина теплоти згоряння; реакції в ньому проходять, як і в «холодному полум'ї», до утворення CO.

«Вторинне холодне полум 'я» поширюється з великою швидкістю як завдяки дифузії активних центрів, так і завдяки теплообміну. Нарешті, відбуваються ланцюгово-тепловий вибух, самозаймання суміші, що складається з CO, кисню та активних центрів, унаслідок чого з'являється гаряче полум'я. Згоряння робочої суміші йде з великою швидкістю і різким підвищенням тиску; виникає ударна хвиля, яка переміщується по камері згоряння з надзвуковою швидкістю, стимулюючи згоряння суміші та загоряння сусідніх її шарів, а швидкість згоряння суміші дорівнює швидкості поширення ударної хвилі. Таким чином, утворюється ударна хвиля, що багаторазово відбивається від стінок камери згоряння, зумовлюючи вібрацію і характерні металічні звуки.

При детонаційному згорянні палива значно підвищується віддача теплоти від газів стінкам камери згоряння як завдяки вищим температурам у детонаційній хвилі, так і в зв'язку зі збільшенням тепловіддачі від газів до стінок камери згоряння завдяки зриву із стінок більш холодного граничного шару оливи. При цьому двигун перегрівається, починають руйнуватися поверхня камери згоряння, днище поршня та антифрикційний шар підшипників, а прокладки між блоком циліндра і головкою прогоряють. Крім того, підвищується зношування поршневих кілець та дзеркала циліндрів, оскільки детонаційні хвилі, багаторазово відбиваючись від поверхні циліндрів, знімають з них шар оливи.

Однак, якщо до складу бензину входять такі вуглеводні, які за даних умов не утворюють пероксиди, то концентрація пероксидних сумішей не досягне критичного значення і згоряння закінчується нормально (без вибуху). Здатність бензину згоряти без вибуху у двигуні з іскровим запалюванням дістала назву його детонаційної стійкості.

Установлено, що детонаційна стійкість залежить не тільки від антидетонаційних властивостей бензину, а й від режиму роботи двигуна й умов його експлуатації: атмосферних умов, нагароутворення, частоти обертання колінчастого вала двигуна, випередження запалювання, температури циліндрів, складу робочої суміші та дроселювання двигуна. Зниження температури повітря і барометричного тиску, а також збільшення вологості повітря зменшують схильність двигуна до детонації.

Нагароутворення в камері згоряння та на днищі поршня сприяють виникненню детонації. Із підвищенням частоти обертання схильність двигуна до детонації зменшується, а із збільшенням кута випередження запалювання – збільшується. При роботі двигуна на багатій суміші його схильність до детонації зменшується, а на бідній – збільшується. Чим більше прикрито дросельну заслінку, тим менше причин для появи детонації двигуна. Таким чином, для усунення детонації двигунів доцільно використовувати зменшення випередження запалювання, прикриття дроселя і збільшення частоти обертання колінчастого вала. Кожний із трьох названих чинників окремо, а тим більше в їх поєднанні є досить ефективним засобом боротьби з детонацією двигунів. Однак застосовувати їх треба лише в крайніх випадках і до того ж короткочасно, тому що від цього або знижується потужність двигуна, або погіршується його економічність, або те й інше одночасно. Тому тільки підбором для кожної марки двигуна відповідного за детонаційною стійкістю бензину можна забезпечити без-детонаційну роботу без утрати потужності та погіршення економічності двигуна.

Показник, що визначає детонаційну стійкість бензину, дістав назву октанового числа.

Октановим числом називається відсотковий (об'ємний) вміст ізооктану в еталонному паливі, яке за своїми антидетонаційними властивостями аналогічне досліджуваному.

Еталонне паливо створюють змішуванням двох хімічно чистих вуглеводнів – ізооктану С₈Н₁₈ та н-гептану С₇Н₆.

Ізооктан має високі антидетонаційні властивості, він здатний при стиску згоряти без детонації: його антидетонаційні властивості (октанове число) умовно приймають за 100 одиниць, а н-гептан, навпаки, має низькі антидетонаційні властивості, так що двигун починає детонувати навіть при низькому ступені стиску. Антидетонаційні властивості (октанове число) н-гептану умовно приймають за нуль.

Деякі з вуглеводнів мають октанові числа, вищі від 100 (наприклад, бензол – 108, триптан – 104 тощо). Є вуглеводні з октановими числами, нижчими від нуля, тобто з від'ємними октановими числами: н-октан – мінус 20, н-декан – мінус 53 тощо.

Змішуванням у різних пропорціях за об'ємом ізооктану та н-гептану одержують еталонні сорти палива з різними антидетонаційними властивостями.

Наприклад, якщо октанове число бензину дорівнює 76, то це значить, що він має такі самі антидетонаційні властивості, як і еталонна суміш, що містить 76 % ізооктану та 24 % н-гептану.

Ці умовно прийняті одиниці, які по суті показують відсотковий вміст ізооктану в еталонній суміші, мають назву октанових чисел. Чим більше ізооктану міститься в еталонній суміші, тим вище її антидетонаційні властивості.

Необхідні значення октанових чисел залежать передусім від ступеня стиску бензину. Найекономічнішим є ступінь стиску 10,5. Йому відповідає бензин з октановим числом (за моторним методом) 98,5. При значному підвищенні ступеня стиску термічний коефіцієнт корисної дії (ККД) двигуна фактично не збільшується, а вартість палива на одиницю виконаної роботи різко зростає. Крім того, при великих ступенях стиску виникає проблема боротьби з самозайманням палива (в сучасних автомобілях ВАЗ-21081 і ВАЗ-21091 ступінь стиску становить 9,9 та 9 відповідно.

На значення октанового числа бензину впливають також інші чинники (наприклад, діаметр циліндра, матеріал головок блока, розміщення і кількіть свічок запалення тощо), тобто ті чинники, від яких залежить процес згоряння суміші (табл. 1.1).

Таблиця 1.1

Октанові числа бензинів для бездетонаційної роботи двигунів

Як випливає з таблиці, октанове число бензину зростає зі збільшенням ступеня стиску діаметра циліндра. Для ВАЗ-2108, 21081, 2109, 21091 із діаметром циліндра 76 мм і ступенем стиску 9,9 та 9 потрібен бензин з октановим числом, меншим, ніж 92, а для ВАЗ-21083, 21093, 21099, в яких діаметр циліндра дорівнює 82 мм, – бензин з октановим числом, більшим за 92.