Свойства и показатели бензинов, влияющие на процесс сгорания

Различают нормальное, детонационное и калильное сгорание рабочей смеси.

Сгорание смеси считается нормальным, если воспламенение топлива происходит от свечи зажигания, при этом оно полностью сгорает со средней скоростью распространения фронта пламени 15—25 м/с. Такое сгорание обеспечивает полное тепловыделение и плавное увеличение давления в цилиндрах.

Детонационным сгоранием называется такое сгорание рабочей смеси, при котором кроме воспламенения топлива от искры при определенных условиях происходит самовоспламенение отдельной его части. При этом фронт пламени распространяется со скоростью 1500—2500 м/с. Детонационное сгорание сопровождается звонкими металлическими стуками в зоне камеры сгорания, неполнотой сгорания (черный дым в отработавших газах), перегревом и снижением мощности двигателя.

Переход от нормального сгорания к детонационному обусловлен химическим составом топлива. Существует несколько теорий, объясняющих сущность детонационного сгорания, из них наиболее признанной является теория, по которой считается, что первыми продуктами взаимодействия углеводородов с кислородом являются перекиси и гидроперекиси. Они обладают большой избыточной энергией и при определенных условиях могут накапливаться с выделением большого количества тепла и активных частиц. При этом отмечено, что нормальные углеводороды легко образуют перекисные соединения, а разветвленные устойчивы к их образованию.

Так как каждая молекула гидроперекиси дает начало нескольким цепям, то скорость окисления резко возрастает. Таким образом, в конце такта сжатия при воспламенении смеси от свечи зажигания около нее формируется очаг пламени (рис. 5).

Рис. 5. Этапы детонационного сгорания в рабочей смеси: а — зажигание смеси от свечи зажигания; б — формирование очага горения; в — нормальное движение фронта пламени; г — образование очагов холодно-пламенного окисления в несгоревшей смеси; д — образование детонационной волны; е — движение отраженных волн

Образовавшийся фронт пламенного горения устремляется от свечи зажигания в противоположную часть камеры сгорания. Позади фронта пламени находятся продукты сгорания температурой 2000—2500 °С, а впереди — несгоревшая еще рабочая смесь. По мере нарастания давления в зоне сгоревших газов (0,35—0,5 МПа) сгоревшая часть смеси как бы поджимает несгоревшую, отчего температура последней повышается до 380—450 °С. Поэтому в несгоревшей части смеси ускоряются процессы окисления и повышается концентрация перекисей.

Если концентрация перекисей в несгоревшей части рабочей смеси окажется ниже критической, то фронт пламени горения без существенного изменения скорости достигнет противоположных стенок камеры сгорания, и процесс сгорания смеси пройдет нормально. Если же концентрация перекисей и активных продуктов их распада в несгоревшей части рабочей смеси достигнет критической величины, то начнутся цепные реакции окисления с образованием множества очагов горения.

Так как рабочая смесь уже подготовлена к горению (много перекисей), то она сгорает с большой скоростью и резким повышением давления, в результате чего формируется ударная волна, двигающаяся по камере сгорания со сверхзвуковой скоростью. Мгновенно воспламеняются соседние слои рабочей смеси, а сама ударная волна оказывается совмещенной с фронтом пламени, при этом образуется детонационная волна. Избавиться от этого вредного явления можно подбором для каждой марки двигателя бензина с соответствующей детонационной стойкостью. С другой стороны, известно, что самый простой способ форсирования мощности двигателя путем увеличения степени сжатия ограничен именно детонационной стойкостью бензинов.

Удар детонационной волны о стенки камеры сгорания вызывает отраженные волны, вибрацию стенок и порождает звонкие металлические стуки, характерные для детонации. Слои рабочей смеси, прилегающие к стенкам цилиндра, подвергаются сильному сжатию детонационной волной, в результате чего увеличивается их теплопроводность и усиливается отдача тепла стенкам, двигатель перегревается и его работа становится жесткой.

Калильное сгорание — это воспламенение рабочей смеси от перегретых деталей и нагара в камере сгорания, когда при выключении зажигания сгорание смеси не прекращается, а она воспламеняется на такте очередного сжатия. При этом процесс сгорания и расширения смеси может наступить до завершения такта сжатия с последствиями, аналогичными для детонационного сгорания.

Детонационная стойкость оценивается октановым числом.

Рис. 6. Индикаторная диаграмма:

1 — нормальное сгорание;

2 — детонационное сгорание; ВМТ — верхняя мертвая точка

На рис. 6 представлена развернутая индикаторная диаграмма, т. е. зависимость изменения давления Р в цилиндре двигателя от угла поворота коленчатого вала φ_ПВ, при нормальном и детонационном сгорании смеси.

Октановое число — условный показатель антидетонационной стойкости бензина, численно равный процентному содержанию изооктана С₈Н₁₈, октановое число которого принято за 100, в его смеси с н-гептаном С₇Н₁₆, октановое число которого равно 0, эквивалентной по детонационной стойкости испытываемому бензину. Смеси изооктана и н-гептана различных соотношений будут иметь детонационную стойкость от 0 до 100. Например, октановое число бензина равно 80. Это значит, что данный бензин по детонационной стойкости эквивалентен смеси изооктана и н-гептана, в которой изооктана 80 %.

Существуют два метода определения октанового числа: моторный и исследовательский.

Моторным методом определяют октановое число на установке УИТ-65 (рис. 7), позволяющей изменять степень сжатия от 4 до 9, где сравнивают детонационную стойкость исследуемого бензина с эталонными образцами при температуре горючей смеси 150 °С и частоте вращения 900 мин^-1.

Исследовательским способом детонационную стойкость определяют при температуре горючей смеси 25—35 °С (смесь не подогревается) и частоте вращения 600 мин^-1. В этом случае в марке бензина присутствует буква «И». Например, АИ-92 — автомобильный бензин с октановым числом по исследовательскому методу не ниже 92.

Так как определение детонационной стойкости по моторному методу проходит в более жестких условиях, то результат будет несколько ниже, чем он был бы получен при определении по исследовательскому методу (табл. 1). В обоих случаях после прогрева двигателя постепенно увеличивается степень сжатия до появления детонации определенной стандартной интенсивности, определяемой по шкале указателя детонации.

В последние годы стали использовать так называемое дорожное октановое число (ДОЧ), которое определяют методом дорожных детонационных испытаний и которое наиболее точно характери­зует эксплуатационные свойства высокооктановых бензинов.

ДОЧ бензинов, в ряде случаев существенно отличающееся от октанового числа по моторному и исследовательскому методу, определяют с помощью специально подготовлен­ного автомобиля. Организация таких испытаний сложна, так как при этом жестко регламентируются дорожные и метеорологиче­ские условия, поэтому они в основном проводятся летом и обыч­но только при отработке конструкций автомобильных двигателей новых моделей.

Рис. 7. Установка УИТ-65 для моторного определения октановых чисел бензина:

1 — пульт управления; 2 — аппаратура для измерения детонации; 3 — бак для подогрева всасываемого воздуха; 4 — конденсатор охлаждения; 5 — карбюратор; 6 — ресивер с водяным охлаждением; 7 — одноцилиндровый двигатель

Таблица 1. Октановые числа бензинов различных марок

Установлена примерная зависимость между требуемым октановым числом бензина, степенью сжатия и диаметром цилиндра двигателя:

ОЧ = 125,4 - 413 / ε + 0,183D

где ОЧ — октановое число;

ε — степень сжатия;

D — диаметр цилиндра.

Для увеличения степени сжатия на единицу необходимо повысить октановое число на 4—8 единиц.

Октановое число зависит не только от степени сжатия. Заметное влияние оказывают температура окружающей среды, атмосферное давление и влажность. Так, октановое число может быть снижено на единицу при уменьшении температуры воздуха на 10 градусов или атмосферного давления на 10 мм рт. ст. Например, если при температуре окружающей среды —20 °С и атмосферном давлении 760 мм рт. ст. двигателю был необходим бензин с октановым числом 90, то при температуре окружающей среды —10 °С и атмосферном давлении 700 мм рт. ст. достаточно использовать бензин с октановым числом 80.

Способы повышения детонационной стойкости бензинов

Методом прямой перегонки нефти можно получить бензин с октановым числом до 91 (А-76, АИ-80, АИ-91). Однако такое производство бензина нерентабельно: во-первых, из каждой тонны нефти его получится чуть ли не вдвое меньше, во-вторых, не из всякой нефти можно получить бензин АИ-91. Поэтому обычно бензин с необходимым октановым числом получают двумя способами.

Первый способ: бензин прямой перегонки подвергают вторичной переработке (каталитический риформинг, крекинг и др.), т. е. воздействуют на химический состав бензина, что требует значительных средств, но бензин при этом получается наименее вредным для окружающей среды.

Химический состав бензинов включает следующие основные углеводороды: н-алканы, циклоалканы, изоалканы, ароматические углеводороды. Самые устойчивые к детонации углеводороды — ароматические и изоалканы. Следовательно, увеличивая их содержание в бензине, можно повысить октановое число. Практически это достигается при применении бензинов риформинга и введением ароматических углеводородов, таких, как этилбензол. Октановое число высококачественных бензинов АИ-95, АИ-98 достигается этим путем.

Второй способ: введение в бензин прямой перегонки специальных присадок — антидетонаторов. Бензин получается существенно дешевле, но и значительно вреднее (табл. 2).

Антидетонаторы — металлоорганические соединения, незначительное количество которых в бензинах резко повышает их детонационную стойкость. В 1920 г. была найдена добавка — тетраэтилсвинец (ТЭС) РЬ(С₂Н₅)₄, резко подавляющая детонацию. До настоящего времени это самая эффективная добавка. Введение 0,3 % ТЭС в бензин приводит к повышению октанового числа на 15—25 единиц. Известно несколько марок этиловых жидкостей, которые содержат от 54 до 58 % ТЭС. Бензины, содержащие этиловую жидкость, ядовиты, поэтому окрашиваются в различные цвета.

Имеются заменители ТЭС, такие, как пентакарбонил железа Fe(CO)₅, декарбонил марганца Мn₂(СО)₁₀ и циклопентадиенилкарбонил марганца (ЦТМ) С₅Н₅Мn(СО)₃ с очень высоким анти-детонационным эффектом.

Наиболее приемлемой является присадка метилтребутилового эфира (МТБЭ). Добавка 10 % МТБЭ в бензин повышает октановое число на 5—6 единиц. МТБЭ хорошо совмещается с бензином и с его помощью получают неэтилированные бензины А-76 и АИ-93.

Повышение октанового числа с помощью ТЭС обходится в пять — девять раз дешевле, чем при использовании других антидетонаторов, но они экологически более вредные.

В России неэтилированные бензины составляют около 50 %, причем из них более 85 % с октановым числом 76.

Различают этилированные бензины по цвету: бензин А-76 окрашен в желтый цвет, АИ-93 — в оранжево-красный, экспортное исполнение бензинов АИ-80, АИ-92 и АИ-96 светло-желтого цвета.

Таблица 2. Антидетонаторы и их негативные воздействия

В зависимости от октанового числа по исследовательскому методу устанавливают четыре марки бензинов: «Нормаль-80», «Регуляр-92», «Премиум-95» и «Супер-98» (см. табл. 3). Бензин «Нормаль-80» предназначен для грузовых автомобилей наряду с бензином АИ-80. Бензин «Регуляр-92» предназначены для эксплуатации автомобилей вместо этилированного А-93. Автомобильные бензины «Премиум-95» и «Супер-98» полностью отвечают европейским требованиям и конкурентоспособны на нефтяном рынке и предназначены в основном для зарубежных автомобилей, эксплуатируемых в СНГ.

Таблица 3 Классификация автомобильных бензинов по октановому числу