Детонационная стойкость бензина
Одним из основных показателей качества автомобильных бензинов является их детонационная стойкость, от которой в наибольшей степени зависят надежность, повышение мощности, экономичность и
продолжительность эксплуатации двигателя автомобиля.
Разработка методов оценки антидетонационных свойств бензинов началась в 1918—1919 гг. почти одновременно с изучением явления детонации в двигателях, когда Г. Рикардо создал двигатель с
переменной степенью сжатия и предложил оценивать топливо значением степени сжатия, при котором двигатель развивает максимальную мощность. Этот показатель был назван наивысшей полезной степенью
сжатия.
Дальнейшие исследования показали несостоятельность метода, так как значение наивысшей полезной степени сжатия не только не оставалось постоянным при переходе на другой двигатель, но изменялось
даже при работе на одном и том же двигателе в зависимости от условий окружающей среды.
Позже был разработан метод оценки детонационной стойкости топлива с помощью топливных эквивалентов, основанный на сравнении антидетонационных качеств испытуемого топлива с антидетонационными свойствами некоторых определенных видов топлива, принятых за эталон. В качестве эталонных видов топлива выбирались два: одно из которых детонирует слабо, а другое — сильно, с
таким расчетом, что все виды топлива, подлежащие испытанию, по своей склонности к детонации находились между выбранными эталонами. За величину, характеризующую антидетонационные качества топлива, было принято процентное содержание слабодетонирующего топлива в эталонной смеси, эквивалентной по детонационной стойкости исследуемому образцу.
Введение сравнительной оценки антидетонационных свойств бензина дало возможность оценивать эти качества с помощью некоторой условной единицы, а также контролировать антидетонационные
качества топлива на специальных одноцилиндровых моторных установках, что существенно упростило испытания. Сравнительные испытания проводили на разнообразных установках (двигателях) и при различных режимах работы. В качестве эталонных топлив применяли бензол, толуол, спирт, которые смешивали с каким-либо легко-детонирующим бензином.
Однако такие эталоны не позволяли получать удовлетворительные результаты, так как условия работы двигателя на бензоле, толуоле и спирте значительно отличаются от условий работы на товарных бензинах. Кроме того, при использовании в качестве легко-детонирующего эталона промышленного бензина невозможно повсеместно обеспечить строгое постоянство его антидетонационных качеств. Накопленный опыт показал, что относительное расположение топливо по антидетонационным свойствам не является постоянным, а зависит в значительной степени от режима работы испытательной установки, метод сравнения топлива с эталоном, состава сравниваемых видов топлива и т. д.
В связи с этим возникла необходимость установить единую единицу измерения, оценивающую антидетонационные качества топлив, а также разработать единообразные условия испытания.
В качестве эталонного топлива стали применять химически чистые углеводороды — сильно детонирующий нормальный гептан и слабо детонирующий изооктан (2,2,4-триметилпентан) и их смеси, удовлетворяющие основным требованиям к эталонному топливу:
- постоянный состав и возможность получения идентичного качества;
- длительный срок хранения;
- антидетонационные свойства, охватывающие весь диапазон бензинов;
- близость условий сгорания в двигателе к условиям сгорания товарных бензинов.
В качестве показателя антидетонационных свойств бензинов, получившего название «октановое число», было принято содержание изооктана в смеси с нормальным гептаном, которая эквивалентна по своим
антидетонационным качествам испытуемому топливу.
Октановое число химически чистого нормального гептана принято за 0, а октановое число химическичистого изооктана — за 100. Составляя смеси изооктана с нормальным гептаном в объемных процентах, можно получить эталонные смеси с детонационной стойкостью от 0 до 100 единиц.
Из-за трудности подбора эталонного топлива, идентичного испытуемому, ограничились подбором двух эталонных смесей с таким расчетом, чтобы испытуемое топливо по своей детонационной стойкости лежало между ними. При условии, что детонационная стойкость подобранных смесей близка, эквивалентная смесь может быть найдена расчетом, исходя из пропорциональности между изменением октанового
числа эталонов и показаниями прибора, регистрирующего детонацию.
Применение такой методики вызвало необходимость измерения интенсивности детонации. Основное требование, предъявленное к способу оценки интенсивности детонации при сравнении топлив, заключается в простоте измерения и получения отсчета непосредственно во время испытаний. Как известно, работа двигателя с детонацией сопровождается появлением стука, а также резким повышением давления в конце сгорания. Именно эти явления были использованы для измерения интенсивности детонации.
Детонационную стойкость автомобильных бензинов определяют на одноцилиндровых установках УИТ-85 (УИТ-65) отечественного производства и установках фирмы «Вокеша» (США).
Появившиеся в последнее время в России различные «октанометры» отечественного и зарубежного производства, работающие на принципах измерения диэлектрической проницаемости, углеводородного
состава и др., не имеют ничего общего с моторными установками, на которых определяют октановые числа бензинов.
В технологических процессах на нефтеперерабатывающих заводах целесообразно использовать различные индикаторы косвенной оценки детонационной стойкости компонентов, но определение октановых чисел товарных бензинов следует определять только на моторных установках. Длительное время показателем детонационной стойкости автомобильных бензинов было октановое число, определяемое по моторному методу. Однако на практике было установлено, что октановое число по моторному методу коррелирует с детонационными требованиями полноразмерных двигателей при работе на максимальных мощностях и напряженном тепловом режиме и недостаточно полно отражает всю характеристику детонационной стойкости авто-бензинов в условиях эксплуатации. В связи с этим был разработан исследовательский метод определения октановых чисел, который характеризует детонационную стойкость автомобильных бензинов в условиях работы двигателя на частичной нагрузке и меньшей тепловой напряженности (движение по городу).
Разница между октановыми числами по исследовательскому методу и моторному методу одного и того же бензина называется чувствительностью. Чем меньше чувствительность, тем лучше антидетонационные свойства бензина. Например, один бензин АИ-95 имеет октановое число по исследовательскому методу (и. м.) 95 ед., а по моторному методу (м. м.) - 86 ед., а второй бензин - 95,6 ед. по и. м. и 85 ед. по м. м. Чувствительность в первом случае меньше и, следовательно, антидетонационные свойства его лучше.
Даже если бензин имеет соответствующие стандарту или техническим условиям значения октановых чисел по моторному и исследовательскому методам, есть вероятность того, что антидетонационная характеристика бензина не в полной мере отвечает требованиям двигателя. Соответствие качества бензина и требований двигателя оценивается сопоставлением фактических октановых чисел при стендовых испытаниях двигателя на установившихся режимах и дорожных октановых чисел на режимах разгона автомобиля с требованиями двигателей к октановым числам на этих режимах.
Методы оценки этих показателей соответствия регламентированы стандартом и введены в комплекс методов квалификационной оценки.
Повышение детонационной стойкости бензина также уменьшает вероятность самопроизвольного воспламенения рабочей смеси. Источниками воспламенения могут служить перегретые выпускные клапаны, свечи, кромки прокладок, тлеющие частицы нагара и т. п. Это явление, нарушающее нормальный процесс сгорания, получило название калильного зажигания. Наиболее опасно преждевременное воспламенение (до момента подачи искры), так как оно приводит к снижению мощности, ухудшению экономичности, повышению риска возникновения детонации.
Вероятность возникновения преждевременного воспламенения зависит от склонности топлива к образованию нагара в камере сгорания двигателя и свойств образующегося нагара. При сгорании бензинов, содержащих металлоорганические антидетонаторы и большое количество ароматических углеводородов, вероятность появления калильного зажигания и преждевременного воспламенения очень высока.
Некоторые автолюбители для повышения октанового числа бензина добавляют в него нафталин. Действительно, имеются зарубежные патенты, в которых описано использование во впускной системе двигателя «патронов» с нафталином для борьбы с детонацией при разгонах и на высоких скоростях движения автомобиля.
Подавлять детонацию в двигателе можно с помощью впрыска воды. Подача воды в двигатель как способ предотвращения возникновения детонации является одним из наиболее известных и доступных
направлений. Механизм действия воды на процессы смесеобразования и рабочий процесс двигателя достаточно известен и изучен. Он связан прежде всего с охлаждением заряда рабочей смеси и деталей цилиндрово-поршневой группы, и таким образом вода понижает требования двигателя к октановому числу применяемого бензина. Вода не участвует непосредственно в процессе сгорания, но она имеет высокую теплоту испарения 530 ккал/кг, а бензин — 80 ккал/кг, и ее пары, обладая большой теплоемкостью, оказывают существенное влияние на скорость сгорания рабочей смеси, температуру и давление рабочего цикла.
Антидетонационный эффект воды проявляется в результате охлаждения заряда рабочей смеси, цилиндра и его деталей (снижение теплонапряженности двигателя) и действия водяного пара как инертной
среды на рабочий процесс в двигателе. Добавка воды к бензину снижает тепловые нагрузки двигателя, повышает коэффициент наполнения и снижает содержание окислов азота в отработавших газах.
Введение воды в количестве 10% от расхода топлива снижает требования двигателя к октановому числу бензина на 2—3 ед. Реализация подачи воды во впускной трубопровод с технической точки зрения не представляет особых трудностей, и автолюбители для подобных целей используют различные простейшие устройства. Например, подача пара из радиатора. Однако следует иметь в виду, что добавление воды
к бензину дает эффект только в том случае, если двигатель автомобиля не доработан по тепловому режиму (слишком теплонапряжен), как это было на поршневых самолетах и автомобиле «Запорожец».
Добавка воды к бензину, применяемому на современных автомобилях, только ухудшает их топливную экономичность.