Детонационная стойкость бензинов

Детонационная стойкость бензина характеризует его способность сгорать в двигателе с принудительным воспламенением без детонации.

Детонация (детонационное сгорание) является одним из наиболее часто встречающихся видов аномального сгорания рабочей смеси в двигателях с искровым зажиганием. Главный критерий детонации – скорость распространения фронта пламени. При нормальном сгорании пламя распространяется со скоростью 30-50 м/с, при детонации скорость возрастает до 1500-2500 м/с.

В соответствии с перекисной теорией, предложенной акад. Н.Н. Семёновым, детонация в двигателе возникает в результате предварительного окисления углеводородов бензина в камере сгорания. В процессе сжатия топливо-воздушной смеси происходит её разогрев с образованием органических пероксидов R-O-O-R и гидропероксидов R-O-O-H. Чем ниже термическая стабильность топлива и чем больше времени горючая смесь находится под воздействием повышенных давлений и температур, тем больше количество образовавшихся неустойчивых пероксидов и гидропероксидов. Эти вещества являются источником взрывного горения бензинов по радикально-цепному механизму:

R-O-O-H → RO• + OH•

Радикалы RO• и OH• обусловливают дальнейшее разветвление цепи. Толчком к самовоспламенению перекисных соединений служит повышение давления и теплота, получаемая лучеиспусканием от фронта пламени, который не дошёл до этих веществ. Таким образом, причиной детонационного сгорания бензина является распад образующихся при окислении топлива неустойчивых первичных соединений, обладающих большим запасом энергии.

Внешним проявлением детонации является звонкий металлический стук высоких тонов, возникающий из-за отражения детонационных волн от стенок камеры сгорания. Детонационные волны сдувают пограничный слой газа со стенок камеры сгорания и цилиндра, что увеличивает теплоотдачу к ним и вызывает перегрев двигателя. К признакам детонационного сгорания бензина относится также периодически появляющийся черный дым в отработавших газах, свидетельствующий об уменьшении полноты сгорания топлива. При длительной работе двигателя с детонацией могут возникнуть механические повреждения его деталей: прогар поршней и клапанов, пригорание поршневых колец, разрушение изоляции свечей, растрескивание вкладышей шатунных подшипников.

Детонационная стойкость бензина зависит от его углеводородного состава. Наименьшей детонационной стойкостью обладают н-алканы, имеющие линейную структуру. Изо-алканы и ароматические углеводороды характеризуются наиболее высокой детонационной стойкостью.

Мерой детонационной стойкости бензинов является октановое число (ОЧ). У топлив с более высоким ОЧ при прочих равных условиях менее вероятно возникновение детонации.

Октановое число численно равно содержанию изо–октана (выраженному в %) в эталонной смеси с нормальным гептаном, которая по своей детонационной стойкости в стандартных условиях испытаний эквивалентна испытуемому топливу.

Октановое число автомобильных бензинов определяют двумя методами: моторным и исследовательским. Для этого используют стандартные одноцилиндровые двигатели с переменной степенью сжатия от 4 до 10. При определении октановых чисел моторным и исследовательским методами применяют соответственно установки ИТ9-2М и ИТ9-6. Интенсивность детонации замеряют и регистрируют специальным прибором – детонометром.

Сущность определения детонационной стойкости бензина на установках состоит в том, что испытуемый бензин сравнивают с эталонными топливами по способности к детонации. При этом подбирают такие смеси эталонных топлив, которые сгорают в установках с такой же интенсивностью детонации, что и испытуемый бензин. Эталонные топлива получают смешением двух химически чистых углеводородов: изо–октана и нормального гептана. Разное химическое строение этих углеводородов обусловливает резкое отличие их детонационной стойкости. Октановое число изо-октана С₈Н₁₈ — углеводорода парафинового ряда изомерного строения, отличающегося высокой детонационной стойкостью (он начинает детонировать только при очень высокой степени сжатия), принято за 100, а ОЧ сильно детонирующего гептана С₇Н₁₆ — углеводорода парафинового ряда нормального строения принято за 0 единиц. Смесь изо–октана и нормального гептана имеет ОЧ, равное процентному содержанию в ней (по объёму) изо-октана. Например, октановое число бензина 95 означает, что бензин имеет такие же антидетонационные свойства при испытании на стандартной установке, как эталонная смесь из 95% изо–октана и 5% нормального гептана

Моторный метод на установке ИТ9-2М имитирует работу двигателя на форсированных режимах при достаточно больших и длительных нагрузках, характерных для междугородного движения (при частоте вращения вала 900 об/мин и подогреве рабочей смеси до 150 °С). Для определения детонационной стойкости бензина исследовательским методом на установке ИТ9-6 имитируют режим работы легкового автомобиля при его движении в условиях города (при частоте вращения вала 600 об/мин и без подогрева рабочей смеси). Универсальная установка УИТ-85 служит для одновременного определения октанового числа по моторному методу (ОЧМ) и исследовательскому (ОЧИ), разность между которыми называют чувствительностью бензина. Эта величина составляет от 5 до 10 единиц и характеризует возможные отклонения детонационной стойкости бензина в реальных условиях эксплуатации от стойкости, определяемой лабораторными методами.

На полноразмерных двигателях при стендовых испытаниях определяют фактическое октановое число (ФОЧ). Для оценки детонационной стойкости бензинов используется также дорожное октановое число (ДОЧ), которое определяют методом дорожных испытаний и которое наиболее точно характеризует эксплуатационные свойства высокооктановых бензинов. ДОЧ бензинов, в ряде случаев существенно отличающееся от ОЧМ и ОЧИ, определяют с помощью специально подготовленного автомобиля. Организация таких испытаний сложна, так как при этом жестко регламентируются дорожные и метеорологические условия, поэтому они проводятся только при отработке конструкций автомобильных двигателей новых моделей.