1.2.2 Детонационная стойкость.

Детонационная стойкость характеризует способность бензина сгорать в двигателе с воспламенением от искры без детонации. Этот показатель является главным критерием, определяющим возможность эффективного использования того или иного образца бензина в двигателе с определенной степенью сжатия.

Детонационная стойкость бензина измеряется в единицах октанового числа: чем больше октановое число, тем выше детонационная стойкость бензина. Для оценки детонационной стойкости автомобильных бензинов предложены методы, базирующиеся на одноцилиндровых лабораторных и полноразмерных двигателях в стендовых и дорожных условиях, а также на безмоторных установках [4].

Октановое число-показатель детонационной стойкости бензинов ,численно равный процентному(по объему) содержанию изооктана (2,2,4-триметилпентан С₈ Н₁₈) в смеси с нормальным гептаном (Н-С₇ Н₁₆),эквивалентной по своей детонационной стойкости бензину, испытуемому в стандартных условиях [2].

Если, например испытуемый бензин обладает такой же детонационной стойкостью, что и смесь 76% изооктана с 24% Н-гектана, то октановое число этого бензина равна 76 [2].

В лабораторных условиях октановое число автомобильных бензинов и их компонентов определяют на одноцилиндровых моторных установках УИТ-85 или УИТ-65.Они оборудованы автоматическим электронным устройством, с помощью которого режим испытания поддерживается постоянным.

Октановое число автомобильных бензинов на одноцилиндровых установках определяют двумя методами -моторным (ГОСТ 511-82) и исследовательским (ГОСТ 8226-82).

Склонность исследуемого бензина к детонации оценивается сравнением его с эталонными топливами, детонационная стойкость которых заранее известна. В качестве эталонных топлив используют изооктан(2,2,4-триметилпентан),детонационная стойкость которая принята равной 100 октановым единицам, и н -гектан, его октановое число, принято за нуль. Смеси изооктана и гектана в разных соотношениях обладают разной детонационной стойкостью, которая характеризуется октановыми числами, равными объемному содержанию(% об.) изооктана в данной смеси.

Октановое число бензина выше 100 единиц определяют с использованием в качестве эталона изооктана, в который добавляют антидетонатор-тетраэтилсвинец [5].

Режим испытания по исследовательскому методу менее напряженный, чем по моторному. Разницу в октановых числах, определенных этими двумя методами, называют «чувствительностью» бензина.

Чувствительность бензина тесно связана с его химическим составом. Чем больше в бензине содержится ароматических и олефиновых углеводородов, тем выше чувствительность бензина.

Моторный и исследовательский методы определения октанового числа характеризуются следующими режимами испытаний [5]:

Таблица 1- стандартные условия испытаний.

Показатели	Моторный метод	Исследовательский метод
Частота вращения коленчатого вала двигателя, мин^-1.	900 ±10	600±5
Температура в градусах, ^оС.
-охлаждающей жидкости	100±2	100±2
-воздуха перед карбюратором	40-50	52±1
-топливно-воздушной смеси	149±1	Смесь не подог.
-масла в картере	50-75	50-75
Угол опережения зажигания, ПВК до ВМТ	От 26 до 19^о (в зависимости от степени сжатия)	13^о

.

Допускаемые расхождения при параллельных определениях октанового числа по моторному и исследовательскому методам одного итого же образца бензина на одной установке составляют ±0,5 октановой единицы, а при определении на разных установках ±1,0 октановой единицы от среднего арифметического значения сравниваемых результатов.

В зарубежных спецификациях на бензины, как правило, нормируется октановое число по исследовательскому методу. В американской спецификации на автомобильные бензины ASTMD 438 в качестве критерия оценки детонационной стойкости принят антидетонационный индекс, который численно равен изменений октановых чисел по моторному и исследовательскому методам, деленной на 2 [2].

Сопоставление октановых чисел бензинов, определенных на одноцилиндровых установках с их реальной детонационной стойкостью при применении в полноразмерным автомобильных двигателях в условиях эксплуатации показало, что исследовательский метод отражает антидетонационные свойства бензинов при работе двигателя в условиях городской езды при неполной нагрузке и сравнительно низкой тепловой напряженности.

При повышении теплового режима двигателя (длительная загородная езда, плохие дорожные условия, перевозка тяжелых грузов, преодоление перевалов и т.д.) реальная детонационная стойкость бензина в полноразмерном двигателе ближе соответствует октановым числам, определенным по моторному методу [4].

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 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^оС):

Таблица 2-диэлетрическая проницаемость углеводородов.

Углеводороды	Е	Углеводороды	Е
Пентан	1,820	Бензол	2,266
Гексан	1,870	Танзол	2,360
Гептан	1,912	м-Ксилол	2,370
Октан	1,935	о-Ксилол	2.553
Нонан	1,935	п-Ксилол	2,260
Декан	1,937

На этом основании автором найдена зависимость между диэлектрической проницаемостью бензина и его октановым числом (рисунок 1).

Предполагается оценивать октановое число бензина на специальном приборе путем сравнения величин Е исследуемого топлива и эталона.

Зависимость октанового числа топлива (ОЧ) от диэлектрической проницаемости (Е) углеводородов:

ОЧ = f (Е)

Рисунок 1 - Зависимость ОЧ от диэлектрической проницаемости.

Метод стендовых детонационных испытаний предназначен для оценки детонационных требований двигателя и фактических антидетонационных свойств бензинов на данном двигателе при его работе на установившимся режимом во всем диапазоне частоты вращения коленчатого вала.

Метод дорожных детонационных испытаний бензинов предназначен для оценки детонационных требований двигателя и фактических антидетонационных свойств бензинов по детонационным характеристикам во всем диапазоне скоростей движения автомобиля на неустановившихся режимах работы с учетом особенностей конструкций автомобиля.

Дорожные детонационные испытания бензинов на автомобилях проводят на мерном участке прямого горизонтального шоссе с асфальтовым покрытием при следующих метрологических условиях: сухо, ветер слабый -скорость ветра не более 5 м/с.

Фактическое октановое число (ФОЧ) в автомобильных двигателях отличается от лабораторного. Разницы в значениях октановых чисел зависит от чувствительности бензина, специфических свойств данного двигателя и режима его работы (показателя детонационной жесткости [2]:

ΔФОЧ=4(1-Ж/10), (1)

где ΔФОЧ=ФОЧ-ОЧ мм;

Ж – детонационная жесткость двигателя.

Фактические октановые числа бензинов резко уменьшаются и значительно отличаются от полученных в лабораторных условиях на переходных режимах работы автомобильных двигателей. Это объясняется фракционированием бензина во впускном трубопроводе.

В бензине каталитического реформинга начальные фракции имеют низкую детонационную стойкость, и высокооктановые углеводороды концентрируются в хвостовых фракциях. На переходных режимах может наблюдаться детонация в следствии того, что в цилиндр двигателя в начале разгона попадает смесь обогащения углеводородами с низким ОЧ.

Дорожное октановое число (ДОЧ) определяется на реальном двигателе, а не на одноцилиндровой моторной установке.

Для одного и того же автомобильного бензина численные значения октанового числа будут уменьшаться от исследовательского к моторному и дорожному методу оценки, так как режим испытания в этой последовательности ужесточается в сторону интенсификации детонационного сгорания.

Детонационная характеристика бензина в дорожных условиях представляет собой зависимость октановых чисел бензина от скорости движения автомобиля при оптимальном угле опережения зажигания.

Многочисленными исследованиями показано, что чем неравномерней распределения детонационной стойкости по фракциям бензина (октановое число низкокипящих фракций ниже октанового числа бензина в целом), тем выше его «дорожная чувствительность», т.е. разница между октановым числом по исследовательскому методу и дорожным октановым числом. Такое явление связано обогащением горючей смеси в цилиндрах двигателя легкоиспоряющимися низкооктановыми фракциями бензина в момент резкого открытия дросселей заслонки карбюратора при разгоне автомобиля [5].

Имеются методы, имитирующие разделение бензина на легкие и тяжелые фракции во впускной системе с использованием специальных вставок во впускной трубопровод стандартного одноцилиндрового двигателя для определения октанового числа, в частности метод DON (Distibution Octane Number). Эти вставки обеспечивают конденсацию части легких фракций бензина, находящихся в паровоздушной смеси и отвод их из системы. Полученное таким образом октановое число названо «октановым числом распределения». Его величина удовлетворительно коррелируется с дорожным октановым числом для товарных бензинов, октановое число который находится в пределах 91-96 единиц.

Другой более простой способ определения распределения детонационной стойкости по фракциям заключается в оценке октанового числа какой либо фракции бензина, предварительно отогнанной от бензина в стандартных условиях. В ряде методик отгоняется фракция, выкипающая до 100⁰ С , в других методиках отгоняется 50 или 75% (об.) всего бензина.

В нашей стране в качестве междуведомственного, включенного в комплекс методов квалификационной оценки, принят следующий метод оценки распределения детонационной стойкости бензина по фракциям.

Бензин в лабораторных условиях разгоняют в колбе емкостью 1 л. с отводом без дефлегматора на две фракции: кипящую до 100⁰ С (низкокипящую) и кипящую выше 100⁰ С (высококипящую0. для этих фракций определяют октановые числа по исследовательскому методу (ОЧ_нк и ОЧ_вк). В качестве оценочного показателя установлен коэффициент распределения детонационной стойкости по фракциям К_рдс, вычисляемый с точностью до 0,01 по формуле 2:

К_рдс= ОЧ_нк /ОЧ_вк , (2)

где К_рдс- коэффициент распределения детонационной стойкости по фракциям;

ОЧ_нк- октановое число низкокипящей фракции;

ОЧ_вк- октвновое число высококипящей фракции.

Чем ближе значение К_рдс к единице, тем равномернее распределение детонационной стойкости по фракциям бензинов. При К_рдс <1 дорожное октановое число (ДОЧ) ниже октанового числа по исследовательскому методу ОЧ, а при К_рдс >1 их значение совпадают или даже значение ДОЧ превышает значения ОЧ.

Чувствительность детонационной стойкости бензинов к режиму работы двигателя характеризуется разностью между октановыми числами, определенными исследовательским и моторными методами,

Чувствительность детонационной стойкости бензинов зависит от строения углеводородов. Наибольшей чувствительностью обладают непредельные углеводороды, наименьшей -парафиновые.

Повышение температурного режима двигателя вызывает снижение детонационной стойкости почти всех углеводородов. Наименее чувствительны к изменению температуры парафиновые углеводороды.

Детонационную жесткость автомобильного бензина (Ж) через детонационную жесткость режима работы по исследовательскому и моторному методам по формуле 3:

Ж=[(ОЧ_им-ФОЧ)/(ОЧ_им-ОЧ_мм)]Х10, (3)

где ОЧ_им, ОЧ_мм, ФОЧ -соответствующие ОЧ.

Относительная сложность определения детонационной стойкости бензинов на одноцилиндровых моторных установках, полноразмерных двигателях и автомобилях стимулировала поиск более простых лабораторных методов оценки октановых чисел бензинов. Удачным и надежным методом является лабораторный метод «Монирекс» [4].

Метод основан на измерении скорости реакции окисления бензина, предшествующих детонационному сгоранию. Было установлено, чем интенсивнее идет процесс предпламенного окисления, тем ниже детонационная стойкость используемого бензина. Таким образом, можно ожидать, что перспективные лабораторные методы оценки детонационной стойкости бензинов могут в значительной степени вытеснить традиционные моторные методы при осуществлении внутри заводского контроля компонентов бензинов, а также при проведении научно исследовательских работ, когда опытные образцы получают в ограниченных количествах.