2.2.5. Антидетонационные свойства бензинов. Октановое число. Воспламеняемость дизельных топлив. Цетановое число.

Работа двигателя внутреннего сгорания происходит в два или четыре такта:

1. Всасывание. Впускной клапан открыт, поршень движется вниз, свеча не горит.

2. Сжатие. Оба клапана закрыты, свеча искрит.

3. Рабочий ход. Смесь горит, образующиеся пары толкают поршень вниз.

4. Выхлоп. Открыт выпускной клапан, свеча не горит.

Основным является такт рабочего хода. На протяжении этого такта происходит сгорание бензиновой смеси и увеличение объема паров над поршнем. При нормальном сгорании скорость распределения фронта горения 25...35 м/с. Давление в цилиндре при нормальном сгорании возрастает плавно. Возрастание давления в результате процесса сгорания бензина компенсируется движением поршня вниз, то есть увеличением объема камеры. При нормальной скорости горения двигатель работает плавно, без стуков. Скорость горения зависит от степени сжатия (СЖ - отношение объема цилиндра при нахождении поршня в нижней мертвой точке к объему цилиндра в верхней мертвой точке), температуры в цилиндре, химического состава топлива. Если топливо химически нестабильно в условиях окисления, то горение переходит в детонацию. Скорость распространения фронта горения возрастает до 1.5...2 тыс. м/с.

При детонации выделение продуктов горения начинается еще до того как поршень достигнет верхней мертвой точки в стадии сжатия. Этим тормозится работа двигателя, снижается его мощность, так как выделение продуктов горение препятствует нормальному продвижению поршня. Давление и температура в цилиндре возрастает выше того значения, на которое рассчитаны клапана, что вызывает прогар колец и клапанов. При детонации происходит резкое выделение тепла, поэтому двигатель перегревается. Таким образом, детонация ведет к снижению мощности двигателя, усилению его механического износа, прогару колец и клапанов и неполному сгоранию топлива. Проявляется детонация резким снижением мощности и металлическим стуком.

Основной причиной детонации является накопление в горючей смеси активных кислородсодержащих соединений: перекисей (R-О-О-R) и гидроперекисей (R-О-О-Н), которые являются продуктами окисления. Скорость образования перекисных соединений не должна превышать некоторого допустимого значения. Эта скорость зависит от химического состава топлива. Для предельных углеводородов она максимальна, для аренов - минимальна.

Склонность топлива к детонации повышается с повышением давления в цилиндре и с ростом степени сжатия, поэтому двигатели высокой удельной мощности с повышенной степенью сжатия требуют бензин с улучшенными антидетонационными свойствами, показателями которых является октановое число.

Октановое число - показатель антидетонационной стойкости топлива, численно равный содержанию (в % об) изооктана (2, 2, 4 - триметилпентана) в смеси с н‑гептаном, которая по детонационной стойкости эквивалентна испытуемому топливу. Экспериментально ОЧ проверяется на специальных установках УИТ-65, УИТ-85. На этих установках можно определять ОЧ по моторному и исследовательскому методам. Установки представляют собой одноцилиндровый карбюраторный двигатель, на котором можно изменять степень сжатия и состав рабочей смеси. Установки снабжены индикатором детонации. Метод испытаний определяется условиями, при которых проводится испытание. Некоторые условия, соответствующие определению октанового числа по моторному и инженерному методам представлены в табл. 2.4.

Таблица 2.4.

Условия определения октанового числа по моторному и инженерному методам

Показатель	ММ (МОЧ)	ИМ (ИОЧ)
Частота вращения коленчатого вала, об/мин	900	600
Температура горючей смеси, оС	1491	13оС
Угол опережения зажигания	Зависит от степени сжатия	Не зависит от степени сжатия

Угол опережения зажигания - угол, на который плечо коленчатого вала не дошло до положения, соответствующего положению поршня в верхней мертвой точке. В это время подается искра и начинаются процессы окисления.

При ММ условия жестче, поэтому ОЧ одного и того же бензина по ММ ниже на несколько пунктов. Например, для АИ-93 по МОЧ=85. МОЧ характеризует работу двигателя в напряженных условиях, ИОЧ - при умеренных нагрузках. Разница между МОЧ и ИОЧ называется чувствительностью бензина.

Есть две методики определения ОЧ:

1. При постоянной степени сжатия.

2. При постоянном составе горючей смеси. При нем на испытательном участке устанавливают постоянный состав горючей смеси, изменяя степень сжатия двигателя, находят то ее значение, при котором начинается детонация. Затем подбирают эталонное топливо, которое детонирует при той же степени сжатия и таком же составе горючей смеси.

Дизельный двигатель (работавший на осветительном керосине) создал в 70-х годах прошлого века Рудольф Дизель. Двигатель работал без свечи зажигания. Из-за дефицита топлива применения не получил. В конце века создали двигатель, работавший на сырой нефти. Началось развитие.

В цилиндр подается воздух и топливо при давлении до 50 атм. При движении поршня вверх (степень сжатия достигает 18...20) горючая смесь сжимается и самовоспламеняется без искры. Процессу горения предшествует распыление топлива в сжатом и нагретом воздухе внутри цилиндра. Время от начала подачи топлива до его самовоспламенения называется периодом задержки самовоспламенения. Двигатель работает нормально, если этот период минимален. ПЗС зависит от химического состава топлива. Чем легче окисляется углеводород, тем ниже ПЗС. Склонность к окислению: н-парафины > и-парафины, нафтены > арены. С увеличением молекулярной массы склонность к окислению возрастает. При низком значении ПЗС двигатель работает плавно, так как топливо начинает гореть при меньшем его содержании в цилиндре. При большом ПЗС топливо начинает окисляться и гореть тогда, когда его количество в цилиндре значительно больше. , поэтому скорость нарастания давления в цилиндре выше допустимой. Двигатель работает шумно, жестко.

Склонность ДТ к самовоспламенению характеризует ЦЧ. Чем меньше период задержки самовоспламенения, тем выше цетановое число.

ЦЧ - техническая характеристика ДТ, численно равная содержанию (% об.) н-гексадекана (цетана) в смеси с -метилнафталином, которая по характеру сгорания (период задержки самовоспламенения) идентична испытуемому топливу.ЦЧ определяют на одноцилиндровой установке ИТ-9-3. Степень сжатия на установке: 7...23. Для испытуемого топлива определяют задержку самовоспламенения, затем подбирают эталон.

ЦЧ максимально для парафинов, минимально для аренов. Чем выше температура кипения фракции, тем выше ЦЧ. При ЦЧ<40 - жесткая работа двигателя, >50 - повышенный расход топлива. Для лучшего запуска в зимнее время ЦЧ топлива не ниже 45, в летнее годится и 40.