В середине прошлого столетия весьма интенсивно велись исследования с целью разработки методов оценки одного из основных показателей качества автомобильных бензинов — детонационной стойкости. Эти исследования были направлены на поиск физических и химических параметров, которые могли бы характеризовать возникновение детонации с хорошей сходимостью с результатами определения октанового числа на моторной установке.
Ниже рассмотрены некоторые альтернативные методы определения октанового числа бензинов.
Хроматографический метод.
Этот метод — сугубо расчетный. Точность определения им детонационной стойкости зависит от качества хроматограммы, программы ее обсчета, заложенной в компьютер, и никак не связана с прямыми параметрами горения бензинов. Недостаток метода — необходимость проведения длительных испытаний.
Оценка по поглощению инфракрасного излучения.
Этот метод — также расчетный. Он основан на измерении диэлектрической проницаемости компонентов бензина и в случае применения в составе бензина оксигенатов дает оценку октанового числа с существенной погрешностью.
Оценка по давлению газов, возникающему в реакторе при самовоспламенении бензинов. Метод “Монерекс”.
Этот метод предназначен для непрерывного контроля октанового числа компонентов товарного бензина при производстве последнего методом смешения.
Его авторы полагают, что в двигателе в процессе окисления топлива возникновению детонации должно предшествовать изменение одного или нескольких коррелирующих с ней параметров. Ими показано, что давление, возникающее в нагретом реакторе пропорционально октановому числу бензина.
На основе этой зависимости и создано устройство для непрерывной оценки детонационной стойкости по давлению газов, возникающему в реакторе в процессе холодно-пламенного окисления бензинов.
Оценка по характеристике самовоспламенения.
В Великобритании в Институте нефти исследована возможность определения антидетонационных свойств по характеристике воспламенения капель бензина. Установлена практически линейная зависимость температуры их самовоспламенения при постоянном времени задержки воспламенения (или времени задержки воспламенения капель топлива при постоянной температуре самовоспламенения) от октанового числа в пределах 82—90 единиц. Узкий диапазон значений октанового числа в значительной степени снижает возможность использования этого метода для практических целей.
Оценка по диэлектрической проницаемости.
Современный уровень развития электронной техники обеспечивает измерение относительной и комплексной диэлектрической проницаемости бензинов и их компонентов. Однако проведенная сравнительная оценка комплексной диэлектрической проницаемости бензинов и компонентов, повышающих их детонационную стойкость, свидетельствует о различии бензинов разного происхождения, как по относительной диэлектрической проницаемости, так и по проводимости.
Диэлектрическая проницаемость таких добавок, как толуол и МТБЭ, толуол и метанол, практически одинаково влияющих на октановое число, различается на порядок, и, следовательно, не может быть и речи о корреляции октанового числа товарных бензинов с их диэлектрической проницаемостью.[6,ст. 68-69].
Оценка по параметрам холоднопламенного окисления.
Разработанный метод основан на следующих предпосылках:
• горение бензина как процесс окисления сопровождается выделением за короткое время большого количества тепла;
• этот процесс состоит из двух этапов: воспламенения, который включает стадию холоднопламенного окисления, и собственно горения;
• этап горения может протекать с детонацией или без детонации;
при бездетонационном горении скорость распространения фронта пламени во всем объеме цилиндра двигателя составляет 20—40 м/с.
Наиболее целесообразно использовать параметры этапа воспламенения рабочей смеси, происходящего при низкой температуре и с невысокой скоростью окисления. В настоящее время проводить исследования в таких условиях можно с достаточно большой точностью.
Температуру холоднопламенного окисления углеводородного сырья оценивают по-разному: от 300 до 450°С. Скорость I процесса может изменяться от нескольких секунд до нескольких десятков секунд. Исследования подтвердили это. Следует отметить, однако, значительную зависимость этих параметров от конструкции реактора и состава топливовоздушной смеси.
С учетом указанных факторов предложено вместо косвенной оценки параметров горения топлив непосредственно измерять естественные физические параметры — температуру, скорость, выделяемую энергию и ускорение холодно-каменного окисления на различных стадиях.
Для исследования процессов холоднопламенного окисления углеводородного сырья в реальном масштабе времени создана установка, структурная схема которой приведена на рис. 1.
Установка включает: аналитический блок с реактором холоднопламенного окисления; устройство для измерения параметров окислительного процесса; элементы для контроля состояния реактора и регулировки скорости потока воздуха; персональный компьютер, который обеспечивает необходимую последовательность действий оператора, прием, преобразование и тематическую обработку сигнала от аналитического блока, отображает на дисплее текущую информацию о состоянии прибора и результатах измерения; пневмоблок (с компрессором, ресивером и пенным измерителем скорости потока воздуха), служащий для создания стабильного воздушного потока через реактор.
Рис. 1. Структурная схема установки для исследования холоднопламенного окисления топливовоздушной смеси в реальном масштабе времени.
После включения установки реактор нагревается до температуры возникновения холоднопламенного окисления бензинов, в дальнейшем эта температура поддерживается автоматически. Поток воздуха, необходимый для поддержания холоднопламенного окисления, подается в реактор пневмоблока. Анализируемый бензин, контрольное топливо, вводится в реактор с помощью микрошприца. Смешавшись с потоком воздуха, топливо нагревается до температуры реактора, что приводит к его холоднопламенному окислению, сопровождаемому выделением тепла. Датчик температуры, расположенный в реакторе, преобразует тепловое воздействие в электрический сигал, который поступает в аналого-цифровой преобразователь, а затем в цифровом виде в персональный компьютер.
Если в реактор, нагретый до температуры, при которой начинается холоднопламенное окисление, ввести смесь топлива с воздухом, то температура реактора будет изменяться согласно соответствующей кривой на рис. 2.
Такой характер искривления можно объяснить следующими процессами. При попадании в реактор смеси паров топлива с воздухом температура внутри него несколько снижается, поскольку часть энергии расходуется на нагревание смеси. Через время (х), включается система автоматического слежения за температурой внутри реактора и происходит компенсация потери тепловой энергии. После этого собственно и наступает процесс холоднопламенного окисления, сопровождаемый выделением большого количества тепла.
Ход процесса окисления анализируется компьютером традиционными методами. Качество анализа определяется числом сопоставляемых параметров и точностью их измерения.
На рис. 3 приведено несколько характерных кривых холоднопламенного окисления дозы топлива в потоке воздуха. Как видно, для образцов бензина с разным октановым числом на выходе термодатчика наблюдается экстремум напряжения. Максимальное напряжение Umax сигнала, соответствующее максимальной температуре окисления (см. рис. 2), принадлежит топливу с минимальным октановым числом.
Максимум амплитуды кривых равномерно снижается с повышением октанового числа контрольного топлива. Этот параметр достаточно точно характеризует детонационную стойкость и может быть использован для ее оценки в первом приближении. Аналогичные кривые получены для бензинов и их компонентов. Разработанные для персонального компьютера программы позволяют непосредственно определять максимум температуры или преобразовывать сигнал в значение октанового числа.
Прибор в сочетании с программным обеспечением для обработки значений температуры, времени, скорости и ускорения процесса горения на всех стадиях его развития позволяет определять октановое число бензинов с различными высокооктановыми добавками. Сравнение результатов оценки октанового числа товарных бензинов стандартными методами и на разработанном приборе показало их высокую сходимость.
Прибор рассчитан на круглосуточную работу и потребляет не более 500 Вт электроэнергии. Он свободно размещается на лабораторном столе благодаря малым габаритам, не требует специального помещения и вентиляции, экономичен и позволяет за 8 ч производить 50 измерений и более. Масса комплекта — не более 10кг.[6,ст.69-70].
Газохроматографический метод. Детонационная стойкость. Газохроматографический метод определения этой характеристики, выражаемой октановым числом, основан на предположении, что каждому индивидуальному компоненту бензина соответствует определенный эффективный октановый коэффициент. Эффективное октановое число бензина как смеси находят суммированием произведений массовой доли индивидуальных компонентов на их эффективные октановые коэффициенты.
,
где Θ — октановое число бензина; W — массовая доля октановой группы. Для упрощения процедуры расчета хроматограмму разбивают на 31 группу:
Эффективные октановые коэффициенты, найденные нами методом линейной регрессии по хроматографическим данным для образцов аттестованных бензинов, приведены в табл. 3.
Анализ результатов определения октанового числа по моторному и исследовательскому методам показал, что отклонение октанового числа, рассчитанного по хроматограмме, от октанового числа, определенного на стандартном одноцилиндровом двигателе по ГОСТ 511—82 и ГОСТ 8226—82, не превышает 0,5 ед.[5, ст. 46].
Таблица 3. Характеристики хроматографических групп бензина
