методы оценки антидетонационных свойств бензинов

МЕТОДЫ ОЦЕНКИ АНТИДЕТОНАЦИОННЫХ СВОЙСТВ БЕНЗИНОВ
Для оценки антидетонационных свойств автомобильных бензинов предложены различные методы,
базирующиеся на испытании топлив на безмоторных установках (бомбы, машины адиабатического сжатия),
одноцилиндровых лабораторных и полноразмерных многоцилиндровых двигателях в стендовых и
дорожных условиях. Попытки создать надежный контрольный метод оценки антидетонационных свойств
бензинов на безмоторных установках пока не дали положительных результатов [ i]. Большинство методов
определения антидетонационных свойств топлив основано на сгорании их в двигателях. Для оценки
детонации используются практически все характерные проявления детонационного сгорания бензинов в
двигателях: повышение скорости сгорания и нарастания давления, увеличение температур газа и стенок
камер сгорания, вибрация газа и корпуса двигателя, появление специфических продуктов
преддетонационных реакций, изменение характера выхлопа, резкое уменьшение мощности и др. Некоторые
из этих проявлений детонации используются только для исследовательских целей, другие — для
количественного измерения уровня детонации в контрольных приборах и установках [i, ii, iii. iv, v, vi, vii, viii, ix,
x xi
, ].
Для измерения интенсивности детонации наибольшее распространение получили методы, основанные
на измерении температур и давлений. Измерение температуры последней порции заряда оказалось довольно
сложным и мало пригодным способом оценки детонации. Практическое применение получил метод
измерения средней температуры стенок камер сгорания, на базе которого разработан так называемый
температурный метод оценки детонационной стойкости авиационных бензинов.
В современных методах для количественной.оценки детонации наиболее широко пользуются
измерением давления в камерах сгорания. Многочисленные исследования показали, что механические
вибрации двигателя, акустические вибрации, колебания газа и пламени в двигателях при детонации
совпадают по частоте и, являясь следствием детонационного сгорания, могут быть использованы для его
обнаружения и количественного измерения интенсивности. Наибольшее распространение получил прибор,
измеряющий скорость нарастания давления в камере сгорания двигателя механическим способом (так
называемая «игла «Миджлея»). В настоящее время разработаны более совершенные электрическиедатчики
давления (пьезокварцевые, индукционные, магнитострикционные, емкостные, тензометрические и др.),
применение которых позволяет повысить точность определений [i].
Первая одноцилиндровая установка с переменной степенью сжатия была создана Г. Рикардо в начале
20-х годов, и на этой установке была разработана первая методика оценки детонационной стойкости
топлив по так называемой «критической» или «наивысшей полезной» степени сжатия, при которой
начинается слышимая детонация [i]. Таким образом, уже в первом методе оценки детонационной стойкости
бензинов детонация вызывалась за счет увеличения степени сжатия. В дальнейшем для инициирования
детонации применялись фактически все параметры режима работы двигателя (дросселирование, наддув,
число оборотов, состав смеси, угол опережения зажигания, температурный режим и т. д.), однако до сего
времени изменение степени сжатия является основным фактором для создания условий детонационного
сгорания в лабораторных методах оценки антидетонационных свойств бензинов.
В настоящее время для оценки детонационной стойкости автомобильных бензинов в лабораторных
условиях пользуются специальными установками с одноцилиндровыми двигателями. В СССР до 1949 г.
для оценки октановых чисел автомобильных бензинов применялся моторный метод (ГОСТ 511—46). В
1949 г. авиационной промышленностью была разработана [i] конструкция и организовано серийное
производство отечественной одноцилиндровой установки для испытания топлив ИТ9-2. В дальнейшем, в
связи с изменением технологии нефтепереработки и выпуском новых моделей двигателей в СССР, так же
как и в других странах, возникла необходимость в применении менее жесткого, чем моторный, метода
оценки октановых чисел. В 1959 г. на базе установки ИТ9-2 была сделана отечественная установка для
исследовательского метода определения октанового числа, получившая индекс ИТ9-6 [i, xii].
Следующим этапом совершенствования отечественных методов оценки октановых чисел было
создание электронного детонометра ДП-60 вместо электромеханического датчика с подвижной иглой.
Применение электронного детонометра значительно повысило точность определения октановых чисел [xiii,
xiv
].
В последние годы разработана и всесторонне испытана новая универсальная установка,
предназначенная для определения октановых чисел как по моторному, так и по исследовательскому
методам УИТ-65 [i]. Новая установка оборудована автоматическими электронными устройствами для
поддержания постоянного режима. В настоящее время определение октановых чисел автомобильных
бензинов на лабораторных установках производят двумя методами — моторным (ГОСТ 511—66) и
исследовательским (ГОСТ 8226—66).
Лабораторные установки ИТ9-2 и ИТ9-6 однотипны, они состоят из одноцилиндрового двигателя,
асинхронного электромотора, пульта управления, колонки для поддержания постоянной влажности
всасываемого воздуха, аппаратуры для измерения детонации и вспомогательного оборудования.
Одноцилиндровый поршневой четырехтактный карбюраторный двигатель внутреннего сгорания с
жидкостным термосифонно-испарительным охлаждением и специальным устройством для изменения
степени сжатия (от 4 до 10) состоит из картера, цилиндра с поршнем, кривошипно-шатунного механизма, а
Технологии производства высокооктановых бензинов
также систем смазки и охлаждения [xv].
Склонность исследуемого бензина к детонации оценивается сравнением его с эталонными топливами,
детонационная стойкость которых заранее известна. В качестве эталонных топлив используются, как
правило, чистые индивидуальные углеводороды или другие соединения, названия которых применяют для
обозначения соответствующего «числа» — толуоловое, бензольное, ксилольное, анилиновое, этиловое и т.
п. [i]. В настоящее время наиболее широко для оценки детонационной стойкости пользуются так
называемым октановым числом. При его определении эталонное топливо готовят смешением двух
индивидуальных углеводородов. Один из них — изооктан (2, 2, 4- триметилпентан) — детонирует только
при высокой степени сжатия и его детонационная стойкость принята равной 100 октановым единицам.
Другой углеводород — н-гептан — обладает плохими антидетонационными свойствами и его октановое
число принято за нуль. Смеси изооктана и гептана в различных соотношениях обладают разной
детонационной стойкостью; она характеризуется октановыми числами от нуля до 100.
Октановое число бензина определяют следующим образом. При работе на испытуемом бензине
изменением степени сжатия двигателя добиваются появления детонации определенной силы. Затем
подбирают такую эталонную смесь углеводородов, которая при этой же степени сжатия детонирует с той же
силой, что и испытуемый бензин. Процентное содержание изооктана в такой смеси численно принимается
за октановое число испытуемого бензина.
Октановые числа автомобильных бензинов выше 100 единиц определяются сравнением бензина с
изооктаном, в который добавлена антидетонационная присадка — тетраэтилсвинец.
Моторный и исследовательский методы определения октанового числа различаются режимом
проведения испытаний*:
Установка для испытаний
n, об/мин
Температура, °С
в системе охлаждения
подогрева воздуха
подогрева смеси
подогрева масла в картере
θ,°
мм
ИТ9—2
900±10
им
ИТ9—6
600±6
100±2
40—50
149±1
100±2
52±1
Не подогревается
50—75
13
50—75
26 (ε = 5, 0);
19 (ε = 7, 0)
Испытания бензина по исследовательскому методу проводятся при менее напряженном режиме работы
двигателя, чем по моторному методу. Поэтому октановое число бензина, определенное по
исследовательскому методу, обычно несколько выше, чем октановое число, определенное по моторному
методу. Разницу в октановых числах бензина, найденных этими двумя методами, называют
чувствительностью бензина. Чувствительность бензина определяется его химическим составом.
Сопоставление октановых чисел с поведением бензинов в дорожных условиях показало, что
исследовательский метод в какой-то мере характеризует антидетонационные свойства бензинов при работе
двигателя в условиях городской езды при сравнительно низкой тепловой напряженности. При повышении
теплового режима двигателя (длительная загородная езда, езда по плохим дорогам, перевозка тяжелых
грузов, преодоление перевалов и т. д.) поведение бензина по его детонационной стойкости больше
соответствует октановым числам, определенным по моторному методу.
Соответствие октановых чисел бензинов, определенных тем или иным лабораторным методом, их
фактической детонационной стойкости в дорожных условиях зависит не только от конструктивных
особенностей самого двигателя, но и от типа трансмиссии, использованной в данном автомобиле. В
автомобиле с ручным переключением передач возможна работа двигателя на полностью открытом дросселе
при сравнительно малых числах оборотов. Максимальная детонация в этом случае обычно наблюдается при
малых числах оборотов и исследовательский метод оценки октановых чисел точнее отражает поведение
топлива в дорожных условиях.
При автоматической передаче двигатель не может работать на малых оборотах с полностью открытым
дросселем. Поэтому детонация возникает в области больших чисел оборотов и поведение бензина в
дорожных условиях точнее оценивается моторным методом определения октановых чисел.
Различная оценка детонационной стойкости бензинов в лабораторных и дорожных условиях послужила
основанием для проведения комплекса исследований на полноразмерных двигателях.
В 1932—1933 гг. в США в г. Юнионтаун были впервые проведены дорожные испытания топлив на
автомобилях с целью разработки методики оценки антидетонационных свойств в реальных условиях и
сопоставления этих данных с лабораторными. Разработанный в то время метод дорожных испытаний,
*
Состав испытуемой смеси соответствует максимуму детонации; для опытов в обоих случаях используют одноцилиндровый
двигатель с переменной степенью сжатия (диаметр цилиндра 85 мм, ход поршня 115 мм).
Технологии производства высокооктановых бензинов
получивший название «метод Юнионтаун» или «метод максимума детонации», состоял в определении
наибольшей интенсивности детонации топлива при медленном разгоне автомобиля и подыскании смесей
эталонных топлив, вызывающих равную интенсивность детонации, независимо от того, при какой скорости
она наступает. Интенсивность детонации определялась на слух, разгон производился при полном открытии
дросселя с уменьшением торможения автомобиля [i]. Впоследствии «метод Юнионтаун» был дополнен
фиксацией интенсивности детонации в процессе разгона и стал называться «модифицированным методом
Юнионтаун».
Вследствие несовершенства «метода Юнионтаун» в 1940 г. в США в г Сан-Бернардино были проведены
широкие комплексные испытания с целью создания нового метода дорожных детонационных
испытаний. Этот метод, получивший название «метода Сан-Бернардино» или «метода граничных
линий», заключался в определении скорости, при которой прекращается детонация при разгоне автомобиля
с минимальной скорости при полностью открытом дросселе на дороге с постоянным уклоном. Для
испытуемых и эталонных топлив определялась зависимость граничного угла опережения зажигания от
скорости движения автомобиля. В целях устранения режимов работы с повышенной интенсивностью
детонации впоследствии стали применять непрерывное ручное регулирование опережения зажигания в
процессе разгона на начало слышимой детонации, и метод стал называться модифицированным методом
граничных линий [i]. За последние годы американские методы детонационных испытаний принципиально
не изменились и с небольшими усовершенствованиями применяются до настоящего времени.
В СССР методика детонационных испытаний полноразмерных автомобильных двигателей и бензинов
была разработана Д. М. Ароновым и Л. В Малявинским и стандартизована в 1963 г. [ xvi, xvii, xviii, xix]. Метод
(ГОСТ 10373—63) предназначен для определения фактических октановых чисел автомобильных бензинов и
требований двигателей к детонационной стойкости применяемых бензинов. Он нашел применение при
доводочных работах, связанных с созданием новых или модернизацией существующих двигателей, при
определении их требований к детонационной стойкости бензинов, оценке фактических антидетонационных
качеств товарных и новых сортов автомобильных топлив и их компонентов, а также при изучении рабочих
процессов двигателей и детонационной стойкости топлив. В методе предусмотрены детонационные
испытания двигателя (на моторном тормозном стенде со стандартным оборудованием) или автомобиля.
Стендовые испытания позволяют получить детонационную характеристику двигателя во всем диапазоне
оборотов и соответственно детонационные характеристики испытуемых бензинов, показывающие их
фактические антидетонационные свойства на данном двигателе. Метод дорожных испытаний является
упрощенным по сравнению с методом стендовых испытаний. При этом антидетонационные качества
бензинов оцениваются не характеристикой, а точкой.
Технологии производства высокооктановых бензинов
Рисунок 1. Первичная детонационная характеристика
двигателя; цифры на линиях — октановые числа смеси
эталонных топлив.
Рисунок 2. Первичная детонационная характеристика бензина
(жирная линия)
Сущность метода детонационных испытаний сводится к следующему. На реальном эксплуатационном
режиме работы двигателя, при котором создаются наиболее благоприятные условия для возникновения
детонации (полная нагрузка, нормальный тепловой режим, нормальная регулировка состава смеси),
определяют зависимость угла опережения зажигания, вызывающего начало слышимой детонации, от числа
оборотов двигателя на ряде смесей эталонных топлив. Результаты испытаний изображаются в виде
первичной детонационной характеристики двигателя (Рисунок 1). Аналогичным образом снимается первичная
детонационная характеристика испытуемого бензина, которую затем совмещают с первичной
детонационной характеристикой двигателя (Рисунок 2ческое октановое число бензина — число оборотов
коленчатого вала двигателя (Рисунок 4). Под фактическим октановым числом (ФОЧ) бензина понимается
октановое число по моторному методу смеси эталонных топлив, обладающей детонационной стойкостью в
условиях испытаний, равной детонационной стойкости испытуемого бензина.
ческое октановое число бензина — число оборотов коленчатого вала двигателя (Рисунок 4). Под
фактическим октановым числом (ФОЧ) бензина понимается октановое число по моторному методу смеси
эталонных топлив, обладающей детонационной стойкостью в условиях испытаний, равной детонационной
стойкости испытуемого бензина.
ческое октановое число бензина — число оборотов коленчатого вала двигателя (Рисунок 4). Под
фактическим октановым числом (ФОЧ) бензина понимается октановое число по моторному методу смеси
эталонных топлив, обладающей детонационной стойкостью в условиях испытаний, равной детонационной
стойкости испытуемого бензина.
Этим же методом оцениваются требования автомобильных двигателей к детонационной стойкости
бензинов и совершенство конструкции двигателя, т. е. полнота использования антидетонационных свойств
бензинов в конкретном двигателе.
Развитие и конструктивное совершенствование автомобильных двигателей и выяснение некоторых
особенностей использования высокооктановых бензинов заставляют искать пути усовершенствования и
уточнения методов детонационных испытаний.
Рисунок 3. Промежуточная детонационная характеристика
бензина (жирная линия), цифры на линиях — n.
Рисунок 4. Итоговая детонационная характеристика бензина,
Широко распространенный испытательный двигатель типа СFR существенно отличается от
современных автомобильных двигателей формой и условиями охлаждения камеры сгорания, а также
скоростным режимом. Разработан и предложен для оценки октановых чисел бензинов новый
одноцилиндровый двигатель жидкостного охлаждения с переменной степенью сжатия [ xx, xxi]. Форма его
камеры сгорания, ее охлаждение, расположение клапанов и запальной свечи примерно такие же, как у
современных двигателей. Максимальное число оборотов 5000 об/мин. Изменение степени сжатия от 6, 6 до
13, 7 достигается поворотом кольцевых опор, несущих эксцентрично расположенные коренные
подшипники.
Есть несколько вариантов впускных систем, имитирующих разделение отдельных фракций бензина
(фракционирование) во впускном трубопроводе. В частности, для стандартной установки СFR предложен
специальный впускной трубопровод, в котором по потоку смеси из карбюратора в цилиндр расположена
металлическая вставка (Рисунок 5). Этот участок трубопровода окружен охлаждающей рубашкой, так что
часть смеси конденсируется, конденсат отводится и его количество замеряется. Полученное таким методом
значение октанового числа названо «октановым числом распределения».
Технологии производства высокооктановых бензинов
Для оценки детонационной стойкости топлив, предназначенных для грузовых автомобилей, разработан
метод с использованием беговых барабанов [xxii, xxiii]. По результатам испытаний строятся так называемые
«детонационные карты», с помощью которых и определяют фактическую детонационную стойкость
бензинов [xxiv, xxv, xxvi].
Интересна идея создания многорежимного лабораторного метода определения октановых чисел,
высказанная Д.М. Ароновым [i]. Многорежимный метод предусматривает определение детонационной
стойкости бензинов на нескольких режимах с использованием двух
Рисунок 5. Две конструкции вставок во впускной трубопровод для определения октановых чисел по методу DОN. Стрелками показано направление движения горючей
смеси:
1 — расширительный бачок; 2 — корпус водяной системы охлаждения расширительного
бачка; 3 — клапан для отбора конденсата; 4 — присоединительные фланцы; 5 — желобок
для подачи в цилиндр двигателя жидкой пленки.
пар эталонных топлив. Одна пара эталонов практически нечувствительна к режиму определения (изооктан гептан), другая - чувствительных (диизобутилен или толуол и гептан). Определение детонационных свойств
бензинов по многорежимному методу, очевидно, позволит приблизить лабораторную оценку к
фактическому поведению бензинов в полноразмерном двигателе.
Одновременно с разработкой и совершенствованием моторных методов оценки детонационной
стойкости бензинов продолжаются поиски связи между этим показателем и какими-либо свойствами
бензина, легко определяемыми в лабораторных условиях.
Предложено [xxvii] оценивать октановое число топлива по его диэлектрической проницаемости.
Диэлектрическая проницаемость Е углеводородов зависит от их строения. У ароматических углеводородов
она выше, чем у парафиновых (данные при 30° С):
Пентан
Гексан
Гептан
Октан
Нонан
Декан
1, 820
1, 870
1, 912
1, 935
1, 935
1, 937
Бензол
Толуол
м-Ксилол
о-Ксилол
п-Ксилол
2,
2,
2,
2,
2,
266
360
370
553
260
На этом основании автором найдена зависимость между диэлектрической проницаемостью бензина и
его октановым числом (Рисунок 6). Предполагается оценивать октановое число бензина на специальном
приборе путем сравнения величин Е исследуемого топлива и эта- лона [xxvii]. Естественно, что точность
такого метода невелика.
Предложено [xxviii] определять октановое число бензина по известному значению его плотности и
температурам перегонки 10% и 90% (t10 и t90) Для бензинов с октановыми числами выше 62 рекомендуется следующая эмпирическая формула
ОЧ = 1020, 7—64, 86 [4 lg (141,5/p15 -131,5) + 2 lg (9/5* t10+ 32)+ 1,3 lg (9/5 *t90+ 32)]
Более точные данные по октановым числам можно получить [32], пользуясь следующей эмпирической
формулой
ОЧММ = 100 – (р204(tkk+P)/Ctkk)*1/A + С - А
Технологии производства высокооктановых бензинов
Рисунок 6. Зависимость детонационной стойкости
бензинов от их (диэлектрической проницаемости [30].
где Р—анилиновая точка бензина, °С; С — коэффициент испаряемости бензина, равный (t10+t50+t90)/100; Анаклон кривой разгонки бензина, равный (t90-t10)/80.
Приведенная выше формула пригодна для бензинов, у которых отношение (tkk/t10) • А > 1, 9; если оно
<1,9, то следует пользоваться формулой:
ОЧММ = 100[(tkk+P)*tkk]/[10*P*p204*C*tkk^1/2]*(p204+p204*A+tkk/10P + p204* CA)
Оба приведенных выше уравнения применимы к бензинам, полученным прямой перегонкой,
термическим крекингом, термическим риформингом, а также ко всем другим бензинам, для которых
справедливо неравенство Р < t10 < 2Р.
Для определения октановых чисел по моторному методу расчетным путем (зная октановое число по
исследовательскому методу) предложена [33] следующая эмпирическая формула
ОЧММ=22,5 + 0,83OЧИМ—20р1515 - 0,12С1+ 2,3С2+ 0,9Сз
где С1, С2 и Сз — содержание в бензине соответственно олефинов (объемн. %), ТМС и ТЭС, мл/ л.
Аронов Д. М., Диссертация, МАДИ, 1967.
Аронов Д.М., Лебединский А.П., в сб. «Вопросы машиноведения», Изд. АН СССР, 1950.
iii
Воинов А.Н., Процессы сгорания в быстроходных поршневых двигателях,
Изд. Машиностроение», 1965.
iv
Нейман М.Б., Варшавский Г.Г. и др., Современные вопросы авиатоплив, Изд. Военно-воздушной
академии, 1933.
v
Дитякин Ю. Ф., Физические измерения в газовой динамике и при горении, Издатинлит, 1957.
vi
Залога Б. Д., Сгорание в транспортных поршневых двигателях, Изд. АН СССР, 1951.
vii
Сороко-Новицкий В. И., Испытания автотракторных двигателей, Машгиз, 1955.
viii
Аронов Д.М., Антидетонационные качества автомобильных двигателей, Труды НИИАТ, вып. 2,
Автотрансиздат, 1961.
ix
Воинов А.Н., Труды совещания по сгоранию в поршневых двигателях, Изд. АН СССР, 1951.
x
Соколик А.С., Самовоспламенение, пламя и детонация в газах. Изд. АН СССР, 1960.
xi
Великанов Д. Л., Эксплуатационные качества автомобилей, Изд. «Транспорт», 1967.
xii
Панков И. А, Забрянский Е.И.и др., Химия и технология топлива, № 10 (1960).
xiii
3абрянский Е. И., Лосаев К. Н. и др., Химия и технология топлив и масел, № 10 (1963).
xiv
Данилов И. Н., Евстофеев Л.Ф.и др., Химия и технология топлив и масел, № 7 (1965).
xv
Забрянский Е.И., Зарубин А.П., Детонационная стойкость и воспламеняемость моторных топлив, Изд.
«Химия», 1965.
xvi
Аронов Д. М., Малявинский Л. В., Стандартизация, № 9 (1959).
xvii
Аронов Д. М., Малявинский Л. В., Методы и аппаратура для экспериментального исследования
автомобилей, двигателей и их агрегатов, Изд. Научного автомоторного института, 1961.
xviii
Аронов Д. М., Малявинский Л. В. и др., Автом. пром., № 4 (1964).
xix
Малявинский Л. В., Диссертация, ВНИИ НП, 1962.
xx
Dоniselli С., АТА, 18, № 7 388 (1965).
xxi
Вагtholomew E., SAE Preprints, № 285A.
xxii
Gish R. E., Mueller Н. Т., SAE Preprints, № 452A (1962).
xxiii
Gish R. E., Mueller Н. Т., SAE J., 70, № 6, 78 (1962).
xxiv
Hoffman R.A., SAE Preprints, № 285C.
xxv
Вassa1ert I..-L., Ind. automob., 36, № 11, 587 (1963).
xxvi
Фр. пат. 1493107, 15/VII 1966 г.
i
ii
Технологии производства высокооктановых бензинов
xxvii
xxviii
Kundt W., Erdol u. Kohle, 16, № 11, 1115(1963).
Costa D. P., Combustion, 39, № 9, 18(1968).
Технологии производства высокооктановых бензинов