Визначення октанового числа та способи його підвищення

Існує два методи оцінювання октанового числа: моторний і дослідний. Для визначення октанового числа за цими методами використовують пристрій УИТ-65, основним агрегатом якого є одноциліндровий чотиритактний двигун з пристроєм, що дає змогу змінювати ступінь стиску під час його роботи в діапазоні від 4 до 10. Пристрій оснащений електродвигуном, генератором постійного струму та спеціальним ресивером для підтримки сталої вологості повітря. В комплект пристрою входить також електронна апаратура для вимірювання інтенсивності детонації і пульт керування.

За моторним методом октанове число (ОЧ М) визначають при частоті обертання колінчастого вала п = (900 ± 10)хв.–1 і підігріванні робочої суміші до 150 °С, а за дослідним методом (ОЧД) – при п = (600 + 6)хв–1, але без підігрівання. Октанове число бензину А-76 визначалося за моторним методом, а бензинів АИ-92, АИ-93, Аи-95, АИ-96 та АИ-98 – за обома зазначеними методами. При цьому октанове число, визначене за дослідним методом, виявилося вищим, ніж за моторним. Ця різниця дорівнює приблизно 7...8 одиниць. Нині октанові числа всіх бензинів визначають за обома методами.

Так, октанове число бензину АИ-93, визначене за дослідним методом, дорівнює 93 одиницям, а за моторним – 85, тобто октанове число за моторним методом (при підігріванні бензину до 150 °С) є меншим, ніж за дослідним.

Оцінювання октанових чисел одночасно за двома методами дає можливість визначити чутливість палива до зміни режиму роботи двигуна.

Визначення детонаційної стійкості палива на спеціальних лабораторних установках відзначається високою збіжністю результатів, але випробування здійснюють у дуже далеких від реальних умов використання палива на сучасних двигунах. Тому розроблено спеціальну методику оцінювання детонаційної стійкості палива на реальних повнорозмірних двигунах при роботі їх на моторних гальмових стендах або в складі автомобіля на стенді з біговими барабанами, що імітують рух у дорожніх умовах, чи безпосередньо в дорожніх умовах. Ця методика дає змогу визначати фактичне значення детонаційної стійкості – дорожнє октанове число (ДОЧ). Для конкретного двигуна її застосовують із метою підбору палива при створенні нових зразків двигунів й автомобілів із широким діапазоном їхніх експлуатаційних режимів. Випробування проводяться тільки в літній час на спеціальному автомобілі. Дорожні та метеорологічні умови регламентуються ГОСТ 10373–75.

Дорожнє октанове число, як правило, на 3...10 одиниць менше, ніж октанове число, визначене в лабораторних умовах за дослідним методом.

Виявлення детонаційної стійкості сучасного палива, в тому числі бензинів, одержаних способом каталітичного крекингу і реформінгу, ускладнюється специфічним складом цього палива, висока детонаційна стійкість якого зумовлена наявністю в ньому ароматичних вуглеводнів з відносно високою температурою кипіння. Через це в реальних умовах експлуатації, особливо на змінних режимах роботи двигуна, у процесі утворення суміші виникає часткове фракціонування бензину. Легко киплячі фракції, що мають низьку детонаційну стійкість, можуть потрапляти в циліндри раніше, ніж важкі фракції ароматичних сполук, та спричиняти інтенсивну детонацію. До фракціонування самого палива може додатись за деяких умов фракціонування антидетонаторів, поки вони, маючи вищу температуру кипіння, разом із висококиплячими фракціями палива осідають на стінках впускного трубопроводу і потрапляють у циліндри з деяким запізненням та значною нерівномірністю по окремих циліндрах. Цей вкрай небажаний процес може спричинити значну нестабільність детонаційної стійкості палива.

Способи підвищення октанового числа. Антидетонатори. Один із способів підвищення октанового числа грунтується на використанні сучасни технологій здобуття бензинів, наприклад каталітичного крекінгу, реформінгу тощо. Ця технологія дає можливість одержувати базові бензини з октановим числом 75...80 за моторним методом і 80...94 – за дослідним.

Інший спосіб підвищення октанового числа полягає у доданні до бензину високооктанових компонентів (суміші ізопарафінових чи ароматичних вуглеводнів), які мають октанове число 90 та вище. їх додають у кількості 10...40 % (рис. 1.15). За обома способами одержують неетиловані бензини. Проте із зростанням випуску машин з підвищеним ступенем стиску, для яких потрібні високооктанові бензини, ароматичні вуглеводні з високим октановим числом одержують з нафти в недостатній кількості.

 

Тому більш поширеним способом підвищення октанового числа бензинів є застосування як домішки антидетонаторів – ТЕС Рb (С2Н5)4 і тетраметилсвинцю (ТМС) Рb(СН3)4 високої ефективності. Введення всього 0,3 % ТЕС підвищує октанове число палива на 15...25 одиниць (рис. 1.16).

Однак на шляху практичного використання ТЕС є серйозні труднощі, зумовлені двома його недоліками. По-перше, при застосуванні етилованого бензину на клапанах, свічках та стінках камери згоряння відкладається так багато свинцю і його оксиду, що двигун швидко виходить із ладу. Крім того, його деталі зазнають сильної ерозії. По-друге, ТЕС дуже отруйний та небезпечний для організму людини. Перший недолік удалось майже повністю усунути введенням у бензин домішок бромистих і хлористих сполук, які при згорянні разом із ТЕС утворюють легколеткі сполуки свинцю. У газоподібному стані вони виносяться із двигуна разом із відпрацьованими газами. При цьому у двигуні залишається не більш які % свинцю, але збільшується токсичність вихлопних газів. Суміш ТЕС з тим або іншим виносником та фарбою дістала назву етилової рідини, яка залежно від її складу має різний колір: жовтий (А-76), темно-синій (АИ-93), оранжевий (АИ-95) і характерний запах. Бензин з етиловою рідиною називають етилованим. Слід пам'ятати, що етилова рідина дуже отруйна й може проходити в організм людини крізь шкіру.

 

 

Небезпека посилюється тим, що в разі потрапляння етилованого бензину на шкіру людина ніякого впливу не відчуває і зневажливо ставиться до всіх пересторог. Найбільш надійним способом видалення етилової рідини зі шкіри є змивання її гасом або неетилованим бензином.

Максимальна кількість антидетонатора не перевищує 0,5 г на 1 кг (0,37 г на 1 л) бензину, а в авіаційних бензинах – 3,3 г/кг. Тому останні дуже отруйні й використовувати їх в автомобільних двигунах забороняється.

Установлено, що ТЕС діє як антидетонатор тільки при високих температурах (вище температури його кипіння 200°С), коли він починає розпадатись з утворенням атомарного свинцю. Останній окис-нюється з утворенням діоксиду свинцю (РЬО2), що вступає в реакцію з пероксидами, руйнуючи їх й утворюючи малоактивні продукти окиснення вуглеводнів та оксид свинцю. Останній, взаємодіючи з киснем повітря, знову окиснюється в діоксид свинцю, який здатний реагувати з новою пероксидною молекулою. Цим і пояснюється така мала кількість антидетонаторів.

Слід пам'ятати, що етилова рідина, яка знаходиться в бензині, швидко розкладається на світлі, особливо під дією сонячних променів. При цьому в бензин випадають пластівці, що забивають фільтри та трубопроводи, а октанове число бензину зменшується. Тому зберігати етиловані бензини можна не більше як 10 міс.

Нарівні з ТЕС (за кордоном) набув поширення ТМС як у чистому вигляді, так і в суміші з ТЕС. У нього нижча температура кипіння (110°С замість 200°С у ТЕС). При використанні ТМС підвищується ДОЧ число бензинів. Однак через відсутність ефективних виносни-ків та з ряду інших причин великого поширення ТМС не дістав.

Ведуться роботи з пошуку нетоксичних антидетонаторів на основі циклопентадіенілтрикарбонілу мангану (ЦТМ) С5Н5Мn(СО3) – твердої речовини, що добре розчиняється у паливі. За здатністю підвищувати октанове число ЦТМ не поступається, а в ряді випадків перевершує ТЕС, але, на відміну від останнього, не отруйний. Проте широке впровадження ЦТМ гальмується низкою причин, у тому числі відсутністю досить ефективного виносника, хоча за кордоном він успішно використовується.

Зазначимо, що будь-який із способів підвищення детонаційної стійкості палива призводить до його подорожчання, але, незважаючи на це, споживання високооктанових бензинів зростає. Це зумовлено вдосконаленням двигунів, які потребують більш якісних, а отже, дорожчих експлуатаційних матеріалів. Водночас сам двигун стає більш економічним і надійним, завдяки чому зменшуються витрати на його обслуговування та ремонт. У підсумку використання високоякісних матеріалів, особливо високооктанових бензинів, є економічно виправданим.

Розжарювальне запалювання. Причиною нестійкої роботи двигуна, крім детонації, може стати розжарювальне запалювання, яке спричинюється появою розжарених крапель у камері стиску, найчастіше частинок нагару. Самовільна поява фронту полум'я, крім основного (від іскри), призводить до значного скорочення часу горіння суміші, швидкого підвищення тиску, а значить, до ударного впливу на поршень. Як наслідок, підвищується зношування деталей двигуна, при інтенсивному розжарювальному запалюванні пошкоджуються поршні, кільця, вкладиші, шатуни і навіть колінчастий вал. При цьому спадає потужність двигуна, підвищується витрата палива.

Передчасне спалахування палива може бути безшумним, але найчастіше воно супроводжується стуками, які нагадують детонаційні стуки. Тому за зовнішніми ознаками передчасне спалахування палива легко сплутати з детонацією, тим більше, що найчастіше воно виникає водночас з нею.

Появу розжарювального запалювання можна перевірити вимиканням запалювання. Якщо двигун працює і далі, то причина його ненормальної роботи – розжарювальне запалювання, а якщо двигун відразу глохне, то причина – його детонація.

Виникненню розжарювального запалювання сприяє збільшення ступеня стиску та наддування, зменшення кута випередження запалювання і збіднення робочої суміші. На передчасне спалахування робочої суміші впливають також фракційний та хімічний склад палива, вміст у ньому антидетонатора, наявність оливи, присадок і смоли.

Таким чином, розжарювальне запалювання може бути ліквідовано підбором палива й олив із певними властивостями та, зокрема, застосуванням бензину з підвищеною детонаційною стійкістю.