Автомобильные бензины

Анализ способов определения октанового числа. Рассмотрение основных причин износа деталей двигателя. Ассортимент, качество и состав автомобильных бензинов. Внешние признаки детонационного сгорания. Особенности использования беззольных антидетонаторов.
Краткое сожержание материала:

Размещено на

Автомобильные бензины

автомобильный бензин детонационный



Антидетонационные характеристики бензинов

Детонационное сгорание -- аномальный процесс сгорания, при котором наиболее удаленная часть топливовоздушной смеси объемно самовоспламеняется с образованием ударных волн. Скорость распространения взрывной волны в десятки раз превышает скорость распространения пламени при нормальном сгорании и составляет 1500…2000 м/с. Основная причина возникновения детонации -- образование и накопление в рабочей смеси активных перекисей (кислородсодержащих веществ), которые разлагаются в последней фазе сгорания, выделяют избыточную энергию и вызывают взрывное сгорание топлива. Пероксиды (R -- О -- О -- R) и гидроперекиси(R -- О -- О -Н) -- это первичные продукты окисления углеводородов топлива. Они образуются при прямом присоединении молекулы кислорода к углеводородам. Если присоединение молекулы происходит по С -- С связи, получается перекись, а если по С -- Н связи, то гидроперекись. При дальнейшем окислении накапливаются альдегиды, органические кислоты, спирты и другие соединения Конечными продуктами являются углекислый газ и вода.

Процессы окисления носят цепной характер. Согласно теории цепных реакций, вместе с образованием конечных продуктов окисления восстанавливаются нестойкие активные соединения, которые вновь разлагаются, выделяют теплоту и становятся новыми очагами реакций окисления. В результате непрерывно повторяющихся реакций появляются цепи с большим числом активных центров, вызывающих самоускорение реакции. Детонационные волны многократно ударяются и отражаются от стенок камеры сгорания, вызывая характерный металлический стук, разрушая пристеночный слой газов с пониженной температурой и масляную пленку на стенках цилиндра. Все это способствует повышению теплоотдачи в стенки цилиндра, камеры сгорания, тарелки клапанов, днище поршня, вызывая их перегрев и оплавление; повышенный износ верхней части цилиндра, поломка поршней (межкольцевые перемычки, юбки) и колец, разрушение подшипников.

Рис.

Калильное зажигание характеризует воспламенение топливовоздушной смеси не от искры свечи зажигания, а от раскаленного электрода свечи при неправильном ее выборе, или от тлеющих частиц нагара. Внешнее проявление калильного зажиганияаналогично работе двигателя с детонацией, однако при выключении зажигания двигатель продолжает работать. Основными факторами, инициирующими детонацию являются: высокая температура и давление в камере сгорания двигателя, увеличение времени нахождения топливовоздушной смеси в условиях высоких температуры и давления и химический состав топлива. Самой высокой детонационной стойкостью обладают изопарафиновые и ароматические углеводороды, а самой низкой- нормальные парафиновые. Двойные связи между молекулами олефиновых углеводородов способствуют повышению детонационной стойкости топлива.

Детонационная стойкость топлива оценивается октановым числом, которое представляет собой процентное содержание изооктана (октановое число=100 ед.) в эталонной смеси с нормальным гептаном (октановое число=0 ед.), которая по своей детонационной стойкости равноценна испытуемому топливу. Изооктан С₈Н₁₈ является изопарафиновым углеводородом, а нормальный гептан СН₃ - (СН₂)₅ - СН₃ является нормальным парафиновым углеводородом. Октановое число может быть определено моторным методом (MON) и исследовательским методом (RON). Режим испытания при моторном методе является более жестким по сравнению сисследовательским, поэтому для одного и того же бензина значение RON будет больше значения MON. На североамериканском континенте используется и такой показатель как антидетонационный индекс АДИ = (RON + MON)/ 2.

Способы определения октанового числа

Рис.

Прямой (арбитражный) способ: устанавливается соответствующий стандартный режим работы специального одноцилиндрового двигателя с изменяемой степенью сжатия (УТИ 85 или ASTMCFR F 2U) и он запускается на испытуемом топливе; далее изменяется степень сжатия двигателя до момента появления детонации и установка переводится на работу с эталонным топливом, компоненты которого подбираются таким образом, чтобы двигатель работал с такой же детонацией как и на испытуемом бензине. Процентное содержание изооктана в эталонном топливе укажет значение октанового числа.

Косвенный метод, основанный на определении диэлектрической проницаемости испытуемого топлива и ее сравнении с эталонными бензинами. Соответствующие характеристики эталонных топлив хранятся в электронном блоке памяти прибора. Основной недостаток способа - низкая точность измерений.

Косвенный метод на основе инфракрасной спектрометрии: при этом определяется компонентный состав испытуемого топлива и автоматически рассчитывается октановое число.

Косвенный метод, основанный на создании в установке процессов, аналогичных процессам, проходящих в камере сгорания двигателя. По интенсивности термохимических реакций в камере прибора автоматически рассчитывается октановое число испытуемого бензина.

Способы повышения детонационной стойкости бензина

Рис.

Использование современных методов химической переработки нефти: гидрокрекинг (RON = 85 - 90), каталитический крекинг (RON = 80 - 85), риформинг (RON = 85 - 97), изомеризация (RON = 85 - 90), алкилирование (RON 92), полимеризация (RON 100).

Использование металлоорганических антидетонаторов Ме-C_nH_m.

Действие металлоорганических антидетонаторов основано на обрыве цепных реакций окисления углеводородов, уменьшая процесс образования активных молекул пероксидов и гидроперекисей. Самым старым является антидетонатор на основе тетраэтилсвинца Pb(C₂H₅)₄ . В камере сгорания двигателя происходят следующие реакции:

Образующаяся окись свинца PbO осаждается в камере сгорания. Для ее удаления используется выноситель- бромистый этил C₂H₅B_r:

C₂H₅B_r -?C₂H₄ + HB_r; PbO + 2HB_r = Pb B_r2^ + H₂O( Pb B_r2удаляется с ОГ).

Смесь тетраэтилсвинца и бромистого этила получила название этиловая жидкость, а бензины, содержащие этиловую жидкость - этилированные.

В последнее время получили распространение антидетонаторы на основе ферроцена Fe(C₅H₅)₂.

Концентрация ферроцена 180 грамм на 1 тонну повышает октановое число бензина на 4 - 5 единиц.

Россия производит большую гамму антидетонаторов на основе ферроцена: ФК-4, Октан-максимум, Феро-3, МАФ, СОА и др.

Известны также антидетонаторы на основе марганца:

ЦТМ C₂H₅Mn(CO)₃ и МЦТМ C₂H₅Mn(CO)₃.

Концентрация марганца100 грамм на 1 тонну повышает октановое число бензина на 3 - 5 единиц. Россия производит марганцевые антидетонаторы: HI -TECH-98; HI -TECH-20, а США- HI TEC 3000; HI TEC-3062.

Использование металлоорганических антидетонаторов на основе Pb, Fe и Mn приводит к интенсивному образованию нагара в камере сгорания двигателя, особенно на электродах свечей зажигания, что снижает их долговечность до 5 - 7 тыс. км. Более тяжелым последствием их использования является загрязнение окружающей среды, поэтому Международная Хартия производителей топлив запрещает использование металлоорганических антидетонаторов, однако стандарты и технические условия некоторых стран допускают их применение, например в России возможен выпуск бензинов с концентрацией железа до 37 мг на 1 л топлива, а марганца- до 18 мг на 1 л бензина.

Использование оксигенатов. К оксигенатам относятся алифатические спирты С₁ - С₄ и диалкиновые эфиры. В качестве спиртов в первую очередь используют этиловый С₂Н₅ОН (этанол) и метиловый СН₃ОН (метанол). Повышение детонационной стойкости связано с повышением концентрации кислорода, что приводит к более полному сгоранию углеводородов, снижению теплоты сгорания, более эффективно отводится тепло из камеры сгорания и как результат уменьшается максимальная температура сгорания. Однако повышенная концентрация кислорода способствует повышенному содержанию токсичных альдегидов в выхлопных газах, поэтому максимальная концентрация кислорода составляет 2,7%. Наличие в спиртах гидроксильной группы ОН повышает химическую активность, что вызывает коррозию и в первую очередь цветных металлов. Спирты гигроскопичны, абсорбируют воду, и как результат, растет коррозионная агрессивность и происходит расслоение смеси бензин-спирт. Для стабилизации смеси используются стабилизаторы - алифатические спирты С₃ - С₁₂ (пропанол, бутанол, изопропанол и т.д.). Европейский стандарт ЕН 228 ограничивает содержание метанола как оксигената 3% и этанола- 5%.

В качестве эфиров для повышения детонационной стойкости бензинов используют: метилтретичный бутиловый эфир СН₃ОС(СН₃)₃ (МТВЭ), этилтретичный бутиловый эфир С₂Н₅ОС(С₂Н₅)₃