2.4. Антидетонаційні властивості

Одним із основних показників якості, за яким визначають при­датність бензину для того чи іншого двигуна, є його детонаційна стійкість.

Підвищити економічність, літрову потужність, а також зменши­ти масу двигуна можна при збільшенні ступеня стиснення, викорис­танні наддуву, збільшенні частоти обертання колінчастого вала. Збільшення ступеня стиснення двигуна підвищує вимоги до анти­детонаційних властивостей палива, до процесу згоряння паливо-повітряної суміші без детонації. Згоряння вважається нормальним, коли суміш згоряє при середніх швидкостях поширення фронту по­лум'я від 15 до 35 м/с. У цьому випадку двигун працює стало, еконо­мічно, при бажанні з нього можна зняти розрахункову максимальну потужність.

Процес згоряння - це окислення горючих компонентів, що міс­тяться в паливі, з великою швидкістю і виділенням теплоти. Продук­тами повного окислення (згоряння) вуглеводнів, що входять до скла­ду палива, є газові негорючі сполуки: С0₂, Н₂0.

Фронт полум'я поширюється за рахунок енергії, що виділяється при згорянні попередньої кількості робочої суміші, розповсюдження якого може відбуватися дифузійно-ланцюговим або тепловим про­цесом. При дифузійно-ланцюговому процесі відбувається дифузія із зони горіння в робочу суміш активних центрів, які сприяють роз­витку ланцюгових реакцій у суміші. При тепловому поширенні фронту полум'я має місце процес теплообміну між зоною горіння і свіжою сумішшю. Обидва ці процеси спостерігаються при згорянні паливо-повітряної суміші в двигуні, однак перший процес відіграє більшу роль безпосередньо після запалювання суміші, а другий - при по­дальшому горінні. Швидкість поширення фронту полум'я в бензи­нових двигунах зростає приблизно пропорційно частоті обертання колінчастого вала, що має надзвичайно велике значення для робо­ти двигуна на різних режимах. Із збільшенням частоти обертання колінчастого вала двигуна швидкість надходження горючої суміші через впускний клапан підвищується, збільшується її турбулентність і швидкість поширення фронту полум'я. При збільшенні частоти обертання колінчастого вала двигуна зменшується час на процес згоряння суміші в камері згоряння. Якби швидкість згоряння не збільшувалась завдяки турбулентності, то робота двигуна в різних режимах викликала б ускладнення.

Процес згоряння палива умовно поділяють на кілька фаз. Ос­новна фаза згоряння палива закінчується в момент досягнення максимального тиску в циліндрі. У момент досягнення максимуму тиску починається фаза догоряння, процес згоряння продовжується і температура газів у ципіндрі деякий час зростає. Швидкість поши­рення фронту полум'я в цей період починає знижуватись за раху­нок спаду температури робочої суміші біля стінок камери і зменшу­ється її турбулентність. Тиск у циліндрі падає в зв'язку із зменшенням кількості теплоти, яка виділяється при згорянні суміші, і зменшен­ням об'єму газу при русі поршня до нижньої мертвої точки (н. м. т). При догорянні швидкість процесів більше залежить від фізико-хімічних властивостей робочої суміші, ніж від характеру її руху.

Потужність і економічність роботи двигуна залежать від швидкос­ті згоряння і моменту запалювання робочої суміші. Якщо швидкість згоряння висока, робочий цикл бензинового двигуна наближається до ідеального циклу двигуна внутрішнього згоряння з підведенням теплоти при постійному об'ємі, який має відносно великий терміч­ний ККД. Тому потужність двигуна зростає. Якщо робоча суміш буде підпалена електричною іскрою занадто рано, то згоряння суміші відбуватиметься під час ходу стиснення, і тому будуть великі втрати енергії на подолання тиску газів при русі поршня до верхньої мерт­вої точки (в. м. т). При пізньому підпаленні суміші згоряння відбу­вається під час робочого ходу, погіршуються потужно-економічні по­казники роботи двигуна.

Коли робоча суміш спалахне від електричної іскри, теплота, яка виділяється при згорянні палива, викликає подапьше підвищення температури і підтискує незгорілу частину робочої суміші. Полум'я, розповсюджуючись по суміші, найбільше підвищує температуру і тиск тієї частини суміші, яка згоряє в останню чергу. За визначених умов (залежно від хімічного складу палива, температури) окремі частки палива, що ще не згоріло, можуть самозайнятися. Розповсюдження нових фронтів полум'я від кожної частки, що загорілась, відбуваєть­ся з величезною швидкістю. Швидкість поширення фронту полум'я досягає 2500 м/с, це так звана детонаційна хвиля. Виникнення дето­наційної хвилі супроводжується появою зворотніх зустрічних хвиль, які у вигляді ударних хвиль відбиваються одна від одної, від стінок циліндра, поверхні поршня, викликаючи вібрацію. При детонації з'яв­ляються різкі металеві стуки в двигуні, трясіння двигуна, періодич­но спостерігається попум'я у відпрацьованих газах, частіше - дим. Потужність двигуна падає, перегріваються його деталі, в результаті швидше зношується двигун: з'являються тріщини, мають місце ви­горяння поршнів і клапанів, прогоряння прокладки тощо.

Детонаційне згоряння пов'язане з утворенням і розкладанням продуктів окислення вуглеводнів - пероксидних сполук, які миттю розкладаються з виділенням великої кількості теплоти. Чим вища температура, тим більша швидкість окислення вуглеводнів. В бен­зинових двигунах при такті стиснення свіжа горюча суміш змішуєть­ся із залишковими газами, утворюючи робочу суміш. Свіжа горюча суміш нагрівається від стінок циліндра, поршня, залишкових газів, при цьому починається окислення найменш стійких вуглеводнів з утворенням проміжних спонук: пероксидів, альдегідів, кетонів та інших. Поршень переміщується від н. м. т. до в. м. т. при закритих впускному і випускному кпапанах, стискуючи при цьому робочу суміш. Із зменшенням об'єму робочої суміші її тиск і температура підвищуються. Тиск у кінці такту стиснення становить 1,0...1,7 МПа, а температура - 330...340 °С і вище. За цих умов швидкість окис­лення вуглеводнів збільшується, особливо вона зростає після спа­лаху робочої суміші. Температура і тиск у незгорілій частині робочої суміші значно підвищуються, що сприяє утворенню великої кількості пероксидних сполук. Особливо довго високі температури та тиск діють на останні порції палива, що не згоріло. Тому в них інтенсив­но утворюються пероксиди і з'являються умови для переходу нор­мального згоряння в детонаційне. Однак, якщо в складі бензину знаходяться такі вуглеводні, які за даних умов не утворюють перок- сидів, їх концентрація не досягає критичних значень, згоряння закін­чується нормально. Найменшу детонаційну стійкість мають вугле­водні, що легко окислюються киснем повітря, утворюючи перокси­ди, це - н. парафінові вуглеводні. З підвищенням температури в такті стиснення робочої суміші в циліндрах двигуна пероксиди, гідро-пероксиди дуже швидко розкладаються з виділенням теплоти, яка провокує нове окислення сполук з більшою швидкістю. Розклад пе­роксидів, утворення проміжних сполук спричинюють виникнення нових пероксидів. Таким чином, окислення палива має ланцюгову реакцію. Якщо двигун працює на бензині, при окисленні якого в ос­танніх порціях робочої суміші утворюється багато пероксидів і кон­центрація їх може досягти критичного значення, то відбудеться ви­бухове розкладання цих сполук.

Спочатку відбувається холоднополуменеве окислення з виді­ленням 5...10% загальної теплоти згоряння, температура суміші дещо підвищується. Спостерігається світіння суміші, так зване "хо­лодне попум'я", продуктами згоряння якого є альдегіди і оксид вугле­цю, а не продукти повного згоряння - диоксид вуглецю і вода. "Холод­не полум'я" поширюється дифузією у свіжу горючу суміш. В резуль­таті утворюється активна суміш, яка підпадає під подальше окис­лення. Далі відбувається нове вибухове розкладання пероксидних сполук із втягненням у реакцію більшої маси горючої суміші. Вини­кає "вторинне холодне полум'я", тут виділяється приблизно поло­вина теплоти згоряння, реакції в ньому проходять, як і в "холодному полум'ї", до утворення СО. "Вторинне холодне полум'я" поширюється з великою швидкістю як за рахунок дифузії активних центрів, так і за рахунок теплообміну. Нарешті відбувається ланцюгово-тепловий вибух, самозаймання суміші, яка складається з оксиду вуглецю, кис­ню і активних центрів, в результаті яких виникає гаряче полум'я. Зго­ряння робочої суміші йде з великою швидкістю і різким підвищен­ням тиску. Виникає ударна хвиля, яка переміщується по камері зго­ряння з надзвуковою швидкістю. Ударна хвиля стимулює згоряння сусідніх шарів робочої суміші, швидкість згоряння дорівнює швидкос­ті поширення ударної хвилі. Таким чином утворюється ударна хви­пя, яка багаторазово відбивається від стінок камери згоряння, пор­шня, викликаючи вібрацію і характерні металеві звуки.

При детонаційному згорянні значно підвищується віддача тепло­ти від газів стінкам камери згоряння як за рахунок більш високих тем­ператур у детонаційній хвилі, так і в зв'язку із збільшенням тепло­віддачі від газів до стінок камери згоряння за рахунок зриву із стінок більш холодного граничного шару. При цьому двигун перегрівається, відбувається руйнування поверхні камери згоряння, днища поршня і антифрикційного шару підшипників, прогоряють прокладки між бло­ком циліндра і головкою. Підвищується зношування поршневих кілець і дзеркала циліндрів, тому що детонаційні хвилі, багаторазово відби­ваючись від поверхні циліндрів, знімають з них оливний шар.

У зв'язку з вибуховим характером детонації частина бензину і продуктів неповного згоряння перемішується всередині камери зго­ряння з продуктами повного згоряння і не догоряє. При високій тем­пературі в детонаційній хвилі спостерігається також дисоціація про­дуктів згоряння, тобто розкладання С0₂ і Н₂0. Внаслідок цього зни­жується потужність двигуна, підвищується питома витрата палива, збільшується димність викиду і з'являється полум'я у відпрацьова­них газах.

Вплив різних факторів на виникнення детонації в двигуні слід розглядати у світлі пероксидної теорії, згідно з якою підвищення тиску і температури робочої суміші, а також збільшення часу перебуван­ня останніх порцій робочої суміші, що не згоріли в камері згоряння, призводить до утворення критичних концентрацій пероксидів і дето­наційного згоряння.

Детонаційне згоряння палива проявляється, головним чином, у термічному і механічному впливі і викликає руйнування деталей двигуна: підгоряння випускних клапанів, прогоряння прокладок між головкою і блоком циліндра, прогоряння днища поршня, підвищене зношування стінок циліндрів, порушення ізоляції свічок, розтріску­вання вкладишів підшипників тощо.

На виникнення та інтенсивність детонації впливають конст­рукційні і експлуатаційні фактори.

До конструкційних факторів відносяться: ступінь стиснення, діа­метр циліндрів, фюрма камери згоряння, матеріал головки і поршнів, розміщення свічок та їх кількість. Із підвищенням ступеня стиснен­ня збільшується тиск і температура робочої суміші. Отже, чим більше ступінь стиснення, тим сильніша детонація. У двигунів з великим діаметром циліндрів, за інших однакових умов, детонація підси­люється внаслідок погіршення охолодження камери згоряння і підви­щення у зв'язку з цим температури робочої суміші. Камера згоряння повинна мати компактну форму без місць перегрівання і поверхонь, значно віддалених від свічок запалювання. Розташування свічок повинно враховувати найбільш нагріті зони камери згоряння і час перебування горючої суміші в камері згоряння. Зниженню детонації сприяє використання алюмінієвих сплавів для головок і поршнів замість чавуну, бо при цьому поліпшується відведення теплоти з камери згоряння, знижується температура робочої суміші.

На характер згоряння палива впливають умови експлуатації: склад горючої суміші, кут випередження запалювання, частота обер­тання колінчастого вала, температура і вологість повітря, тепловий стан двигуна, наявність нагару, якість палива, технічний стан систе­ми охолодження та якість охолоджувальної рідини та ін. Конструкція двигуна незмінна, тоді як умови експлуатації змінюються і можуть значно впливати на процес згоряння палива. Тому, змінюючи деякі експлуатаційні фактори/можна запобігти або ліквідувати детонацію.

Для запобігання або ліквідації детонації треба зменшити час перебування або температуру суміші і газів у циліндрах. Із зменшен­ням кута випередження запалювання зменшується або зникає дето­нація, тому що скорочується час на розвиток процесу згоряння, па­ливо продовжує горіти на такті випуску. Гази покидають двигун з більш високою температурою порівняно з температурою відпрацьованих газів при оптимальному куті випередження запалювання, що може провокувати прогоряння випускних клапанів. До цих же наслідків веде збільшення частоти обертання колінчастого вала, тому що зменшуєть­ся час перебування робочої суміші у камері згорянням і кількість перок-сидних сполук не встигає досягти критичного значення, що запобігає процесу розвитку детонаційного згоряння палива.

Підвищення вологості повітря призводить до зниження детонації, бо волога потребує додаткові витрати теплоти. Влітку при більш високих температурах оточуючого повітря детонація проявляється частіше, ніж взимку.

Найінтенсивніше детонує суміш, близька за складом до стехіо­метричної. Згоряння цієї суміші відбувається із виділенням найбіль­шої кількості теплоти. Практично весь кисень бере участь у процесі згоряння. Температура в камері згоряння підвищується, що сприяє виникненню детонації. Робота на збіднілих сумішах супроводжуєть­ся зниженням детонації в двигунах.

Відкладення нагару на днищі поршня збільшує ступінь стиснен­ня і тим самим сприяє виникненню детонації. Утворення нагару в зоні поршневих кілець перешкоджає відведенню теплоти, підвищує температуру поршня і газів у камері згоряння, що сприяє виникнен­ню детонації.

Суттєвий вплив на процес згоряння палива в двигуні має темпе­ратура охолоджувальної рідини в системі охолодження. З підвищен­ням температури охолоджувальної рідини погіршується відведення теплоти від стінок циліндра, підвищується температура робочої суміші в камері згоряння. Якщо не додержуватися правил технічно­го обслуговування системи охолодження, в сорочці двигуна утво­рюються накип, різні відкладення, які мають низьку теплопровідність, внаслідок чого підвищується температура циліндро-поршневої гру­пи та робочої суміші і провокують детонацію. Ступінь охолодження двигуна також залежить від якості охолоджувальної рідини.

Детонаційне згоряння не слід узагальнювати з явищем, яке може виникнути при згорянні палива, - розжарювальним запалюванням. Наслідки розжарювального запалювання ідентичні з наслідками дії детонації в двигуні. Однак, розжарювальне запалювання має іншу причину його виникнення: воно виникає при утворенні нагарів у ка­мері згоряння. Це неконтрольоване самозапалювання робочої суміші. При розжарювальному запалюванні суміш запалюється не від електричної іскри, а від нагарів і перегрітих частин камери зго­ряння. Найчастіше розжарювальне запалювання спостерігається в сучасних високофорсованих двигунах, що працюють на бензинах з антидетонаторами та бензинах з підвищеним вмістом ароматичних вуглеводнів. Розжарювальне запалювання не має нічого спільного з детонацією. Згоряння при розжарювальному запалюванні відбу­вається із нормальною швидкістю. Але утворені нагари, що викли­кають розжарювальне запалювання, можуть спровокувати детона­цію внаслідок зменшення об'єму камери згоряння.

На детонаційне згоряння найбільше впливає якість палива, тоб­то його хімічний склад. Палива різного хімічного складу мають різну стійкість до температури і процесів окислення, здатність утворюва­ти пероксиди та гідропероксиди, тобто мають різну детонаційну стійкість. Найбільшу детонаційну стійкість (здатність протистояти окисленню при високих температурах) мають ізопарафінові та аро­матичні вуглеводні, найменшу - н. парафінові вуглеводні. Зі збіль­шенням молекулярної маси вуглеводнів детонаційна стійкість змен­шується внаслідок подовження парафінового ланцюга.

Для оцінки антидетонаційних властивостей палива (детонацій­ної стійкості) прийнята умовна одиниця - октанове число. Сутність визначення детонаційної стійкості палива полягає в порівнянні її з детонаційною стійкістю еталонних палив. Підбирають такі суміші еталонних палив, які згоряють у стандартних установках із такою ж інтенсивністю детонації, як бензин, для якого визначають октанове число. За еталонні палива прийняті два хімічно чистих вуглеводні:

ізооктан (2,2,4-триметилпентан), октанове число якого умовно прий­нято за 100, і н. гептан, октанове число якого умовно прийнято за 0. Октанове число - безрозмірна умовна величина.

Для визначення октанових чисел бензинів користуються одноци­ліндровими установками із змінним ступенем стиснення від 4 до 10. Спочатку досліджують бензин, підбираючи ступінь стиснення уста­новки до появи стандартної інтенсивності детонації. Потім живлен­ня двигуна переводять на суміш стандартних палив і підбирають таке співвідношення ізооктану і н. гептану, яке має таку ж інтен­сивність детонації, як паливо, що досліджується, без зміни умов роботи двигуна.

Октановим числом називається процентний (об'ємний) вміст ізооктану в суміші з н.гептаном, яка за своїми антидетонаційними властивостями аналогічна паливу, що досліджується. Наприклад, якщо октанове число становить 90, то це значить, що бензин має такі ж антидетонаційні властивості, як суміш, що складається з 90% ізооктану і 10% н. гептану (при дослідженні на стандартній установці).

Октанові числа бензинів

О ктанові числа визначають за моторним і дослідницьким мето­дом. Методика визначення октанових чисел за обома методами однакова, але режими роботи установок відрізняються. Більш жор­сткий режим роботи установки при визначенні октанових чисел за моторним методом порівняно з дослідницьким. Тому для одного й того ж бензину октанові числа, визначені різними методами, мають не однакові значення: більш високі значення октанових чисел, що визначені дослідницьким методом (табл.. 18Х Наприклад, бензини А-92 та А-95 мають значення октанових^.. ^ дослідницьким методом 92 та 95 відповідно, а за моторним - 82,5 та 85. Тому при визначенні октанового числа бензину вказують метод визначення, наприклад, 85/М; 95/Д, де літери "М" і "Д" відповідно моторний та дослідницький метод.

Деякі вуглеводні мають октанові числа вищі за 100, наприклад, бензол, толуол та деякі інші; деякі вуглеводні мають октанові числа менші за 0, наприклад, н. октан, н. декан та інші н. парафінові вуг­леводні з молекулярною масою вищою за н. декан. Октанове число бензину буде залежати від кількості і якості (будови) вуглеводнів та інших сполук, що входять до його складу.

Відомо, що бензинові двигуни удосконалювали шляхом підви­щення ступеня стиснення. Але підвищувати ступінь стиснення без межно не можна. При великому підвищенні ступеня стиснення тер­мічний ККД фактично не підвищується, а вартість палива, отже, оди­ниці виконаної роботи зростає, підвищується імовірність самозапа­лювання палива. У зв'язку з економією нафтового палива, еколо­гічними аспектами вважається найбільш прийнятним паливо з окта­новим числом в середньому 95 за дослідницьким методом.

Країни світу використовують, в основному, бензини марок (типів): звичайний або регулярний (зустрічається назва "нормальний") -з октановими числами 80...92, преміальний - з октановими числа­ми до 95, "супер" - з октановим числом 98 (за дослідницьким мето­дом). Бензини багатьох країн мають підвищену температуру кінця кипіння (215 °С) та дещо збільшений залишок після розгонки (до 2%).

Кожний двигун вимагає використання бензину відповідною ок­танового числа. Необхідні значення октанових чисел залежать пе­редусім від ступеня стиснення. Крім того, на вибір значення октано­вого числа бензину впливають інші фактори, такі як діаметр цилінд­ра, матеріал головок, кількість і розміщення свічок та інші, тобто ті фактори, які впливають на процес згоряння суміші. При збільшенні ступеня стиснення та діаметра циліндра необхідно використовува­ти бензини з підвищеною детонаційною стійкістю (октановим чис­лом). Низькі температури оточуючого повітря, збільшення вологості повітря і барометричного тиску зменшують вимоги до октанового числа палива. Перегрівання двигуна веде до збільшення імовірності виникнення детонації.

Сучасні автомобілі потребують бензини з високими октановими числами. Підвищення октанових чисел можна досягти різними ме­тодами: переробкою дистилятів каталітичним крекінгом та рифор­мінгом, добавленням до бензинів високооктанових компонентів та добавок, застосуванням антидетонаційних присадок.

Бензини, одержані каталітичним крекінгом та риформінгом, мають високі октанові числа (77...90 за моторним методом).

При необхідності підвищення окганового числа бензинів до них можна додати високооктанові компоненти в кількості до ЗО...40%. При виборі високооктанового компонента слід враховувати темпе­ратуру оточуючого повітря, властивості компонента (октанове чис­ло, температури кипіння та застигання). Ізопентан, октанове число якого становить 93/Д, не можна використовувати влітку, тому що він має низьку температуру кипіння, а бензол, октанове число якого 113/Д, - узимку, тому що він має високу температуру кристалізації (+5,5 °С). Додаючи ароматичні вуглеводні (бензол, толуол, кумол, нафталін та інші (чи їх суміші), треба пам'ятати про їх високу нага-роутворюючу здатність, токсичність (особливо бензолу), високу роз­чинну здатність щодо гумових і пластмасових деталей паливної си­стеми і при додаванні не перевищувати їх допустимий загальний вміст у бензині.

Для одержання високооктанових бензинів знайшли промисло­ве використання ефіри, наприклад МТБЕ - метилтретиннобутило-вий ефір), технічний етанол (абсолютний), суміш ароматичних вуг­леводнів, толуол. Суттєвим недоліком високооктанових компонентів, що містять у своєму складі кисень (спирти, МТБЕ та інші, їх суміші), є необхідність введення їх до складу суміші з бензином у великій кількості для досягнення значного підвищення октанового числа па­лива (до 15%). Наприклад, для виготовлення бензину А-98 до бензи­нів А-92 (або А-95) додають до 5% і більше МТБЕ, суміш ароматич­них вуглеводнів та толуол - до 10% і більше.

З ефірів використовують і інші, зокрема, МТАЕ - метилтретамі-ловий ефір.

Підвищення октанового числа бензинів залежить не тільки від ефективності присадок, компоненту чи добавки (або їх суміші), але й від хімічного складу бензину, до якого вони додаються (рис.1).

Рис 1. Вплив висакооктанового ком­поненту МТБЕ та ксилідіну на зміну октанового числа (ОЧ/Д) бензинів різ­ного хімічного складу:

1 - прямої перегонко; 2 - каталі­тичного крекінгу; 3 - каталітичного риа^ормінгу жорсткого режиму; 4 - до бавка КСилІдІну

0 5 10 15 20 25 М,%мас.

Ефективним методом підвищення октанового числа бензинів є додавання антидетонаційних присадок - антидетонаторів. Антиде­тонаторами можуть бути селенові, телурові, марганцеві, свинцеві, залізні та деякі інші органічні сполуки. Кожний антидетонатор про­являє свою ефективність дії при введенні його в оптимальній кількос­ті, яка залежить від його хімічного складу та хімічного складу бензи­ну, до якого він додається.

Ефективність антидетонаторів, доцільність їх використання ви­вчали давно. Була досліджена дія більше як 60 різних сполук на антидетонаційні властивості бензинів і зроблений висновок: з точки зору технічної і економічної більш доцільним є використання вто­ринних методів переробки і додавання продуктів методів синтезу з метою підвищення октанового числа бензинів порівняно з пошуком, розробкою і використанням антидетонаторів. Це пов'язано з підвищенним зношуванням паливної системи і двигуна (в першу чергу - свічок запалювання), випускної системи, охороною оточуючого се­редовища (викидів в атмосферу металів у вигляді аерозолів), ток­сичністю деяких антидетонаторів або виносіїв.

Антидетонатори містять у своєму складі метали, при згорянні яких утворюються їх оксиди. Для перетворення металів та їх оксидів в газоподібний стан необхідні додаткові органічні сполуки - так звані "виносії". Виносії для більшості антидетонаторів або малоефективні, або дорогі. Селенові та телурові антидетонатори неефективні. При використанні всіх металевих антидетонаторів має місце відкладен­ня металу в камері згоряння, на свічках тощо.

Механізм дії антидетонаторів полягає в уриванні ланцюгових реакцій, запобіганні накопичення пероксидних сполук.

Як антидетонатори можуть використовуватись марганцеві спо­луки, наприклад, ЦТМ - циклопентадієнілтрикарбоніл марганцю та МЦТМ - метилциклопентадієнілтрикарбоніл марганцю, які добре розчиняються в бензині, ефективно підвищують октанове число. Але вони не знайшли широкого промислового застосування, оскільки не вдалося знайти ефективного дешевого виносія.

Відкладення оксидів марганцю на свічках запалювання при зго­рянні палива унеможливлює пуск двигуна через короткий проміжок часу роботи двигуна на бензинах, що містять марганцеві антидето­натори. Відкладення марганцю та його оксиду має місце у двигуні, випускній системі. Разом з відпрацьованими газами в повітря вики­дається марганець у вигляді аерозоля твердих частинок. Як пока­зав досвід використання, марганцеві антидетонатори розкладають­ся при нетривалому зберіганні. Одним з активних каталізаторів роз­кладу антидетонатора є світло.

Марганцеві антидетонатори заборонені до використання у бо-гатьох країних. їх не можна використовувати у великих містах, ку­рортних зонах.

Антидетонатори, що містять у своєму складі залізо (органічні сполуки фероцена та інші) також потребують високоефективного виносія для запобігання утворення відкладень на свічках, в камері згорання, у випускній системі, утворення аерозоля оксиду у відпра­цьованих газах. Виносіями залізних антидетонаторів можуть бути ефіри мінеральних кислот бору, фосфору, кремнію тощо. Але вони при відповідних умовах провокують підвищене абразивне зношу­вання двигуна внаслідок утворення додаткової кількості відкладень. При значній концентрації виносіїв підвищується токсичність відпра­цьованих газів, небезпечна для оточуючого середовища і людини.

Для всіх металевих антидетонаторів є загальні недоліки: від­сутність дешевого ефективного виносія, унеможливлення утворен­ня відкладень у різних системах, швидке "отруєння" каталітичних нейтралізаторів відпрацьованих газів тощо.

Найбільшого поширення як антидетонатор знайшов тетраетил- свинець—ТЕС, який використовувався країнами світу понад 80 років. ТЕС - масляниста безбарвна рідина, з густиною 1652,4 кг/м³, ки­пить з розкладанням при температурі 200 °С, розчинна в бензині і органічних розчинниках, надзвичайно отруйна. У разі попадання в організм, незалежно від терміну, ТЕС накопичується в ньому. Попа­сти у кров людини ТЕС може через непошкоджену шкіру, а також через органи дихання. Значне одночасне попадання ТЕС чи посту­пове довгочасне отруєння ним викликає передчасну смерть. ТЕС нестійкий: під впливом температури, сонячного світла, повітря роз­кладається з утворенням білого осаду Для попередження розкладу ТЕС застосовують спеціальні речовини - стабілізатори. Суміш ТЕС з виносіями називається етиловою рідиною, а бензин, у складі яко­го є етилова рідина, - етильованим. Для відзнаки етильовані бензи­ни мали яскраве забарвлення.

При використанні етильованих бензинів у двигунах має місце підвищене нагароутворення і "освинцьовування" деталей:

Вміст ТЕС, г/кг 0,00 0,41 0,82 1,64

Нагароутворення, % 100 120 160 300

Нагари етильованих бензинів містять близько 35...40% оксидів свинцю та інших твердих речовин. Нагари спроможні викликати роз-жарювальне запалювання. Відпрацьовані гази двигунів, які працю­ють на етильованому бензині, мають підвищену токсичність, бо містять свинцеві сполуки.

При використанні етильованих бензинів збільшуються витрати оливи в 1,5...2,0 рази, і необхідна частіша заміна свічок запалюван­ня порівняно з витратами оливи та періодом експлуатації свічок при використанні неетильованих бензинів. Ще більш актуальним є пи­тання охорони навколишнього середовища.

Альтернативою етильованих бензинів є бензини, що одержу­ють вторинними методами переробки дистилятів, з добавленням високооктанових компонентів та добавок, хоча вартість виробниц­тва етильованого бензину дешевша порівняно з вартістю виробниц­тва неетильованого бензину з таким же значенням октанового чис­ла. Висока токсичність свинцевих антидетонаторів призвела до відмови їх використання.

Підвищити октанове число, покращити повноту згорання пали­ва можна додаванням деяких сполук або їх сумішей, до яких відно­сяться, наприклад, лужні органічні сполуки, такі як ізоалкилкарбок-силати літія ("регулятори горіння"), ароматичні аміні тощо.

Ароматичні аміни - безметалеві сполуки. Беззольні добавки на основі ароматичних амінів більш егфективні для підвищення окта­нового окта­нового числа порівняно з добавками, що містять кисень - МТБЕ та його суміш з трет-бутиловим спиртом, але поступаються за ефек­тивністю дії антидетонаторів, що містять у своєму складі залізо або марганець.

Ефективність дії ароматичних амінів залежить від хімічного скла­ду бензину, до якого додається добавка. При додаванні амінів до бензинів з невеликим значенням октанового числа має місце його підвищення на більшу кількість пунктів порівняно з ео>ективністю дії цієї ж добавки в бензинах з октановим числом більш високим, тобто, чим більше в бензині н. парафінових вуглеводнів, тим вища еа>ективність дії ароматичних амінів. Ефективними сполуками, що містять в своєму складі азот, є N-метиланілін, а також його суміш з ізобутиланіліном, циклогексиланіліном, пірролідіном, технічною су­мішшю ксилидінів тощо. Добавка ароматичних амінів або їх сумі­шей в кількості 2% до прямоточного бензину дає можливість підви­щити октанове число на 9-18 пунктів.

При згорянні амінів утворюється додаткова кількість оксидів азоту. Як показали дослідження, ароматичні аміни провокують на­гароутворення.

Анілін - C_eH₅NH₂ - масляниста рідина з температурою кипіння 184 °С, замерзання - мінус 6 °С. Анілін та його похідні - аміни - є токсичними речовинами. Аміни мають різкий, неприємний запах, більшість з них - смертельні отрути, канцерогени².

При розробці і пропозиції щодо використання будь-якого анти­детонатора чи високооктанової добавки повинні вирішуватися всі аспекти: економічний, технічний, екологічний.

Зменшити детонацію можна зміною кута випередження запа­лювання, прикриттям дросельної заслінки, збільшенням частоти обертання колінчастого вала. Застосовують ці методи у крайніх ви­падках, до того ж короткочасно, тому що при цьому знижується по­тужність або погіршується економічність двигуна, чи з'являється те і друге. При відхиленні кута випередження запапювання на 1,5 гра­дуса повороту колінчастого вала від оптимального кута випере­дження запалювання перевитрати папива збільшуються приблизно на 0,5%, а при відхиленні на 10 градусів - до 10%.

При необхідності можна зміщувати бензини. Бензини взаємо-розчинні в будь-якому співвідношенні і не розшаровуються (так само, як при змішуванні з гасом чи дизельним паливом). За відсутністю потрібної марки бензину можна змішати бензини з більшим і мен­шим значенням октанового числа, ніж необхідно для даного двигу­на. Суміші бензинів готуються для одноразового використання, а не для зберігання. Приблизний розрахунок октанового числа такої суміші можна провести за "правилом хреста" (рис. 2).

Найкращий метод боротьби з детонацією - вибір і застосуван­ня бензину відповідної марки.

Вимоги автомобільних двигунів до антидетонаційних властиво­стей палив змінюються залежно від навантаження. Щоб забезпечи­ти нормальну роботу двигуна на міжміських перевезеннях, треба близько 20% бензину, що відповідає ступеню стиснення двигуна, решта 80% можуть бути з октановим числом декілька менше. При перевезеннях в особливо важких умовах (наприклад, в горах) час роботи двигунів на повній потужності збільшується і високооктано-вого бензину треба більше.

Т еоретично запобігти детонації можна добавкою води, дію якої вивчали ще на початку моторобудування. Антидетонаційний ефект від введення води полягає в охолодженні робочої суміші, циліндра і його деталей, дії водяної пари як інертного газу. Введення води дає змогу без підвищення октанового числа бензину використовувати палива з меншим октановим числом, ніж потрібно для двигуна. Ефективність води (табл. 21) проявляється при значній її кількості (20...25%). Введення води, особливо в таких великих кількостях, інтенсивно провокує корозійні процеси, може негативно позначи­тись на робочому процесі. Вода, попадаючи в оливний картер з відпрацьованими газами, що прориваються в нього, конденсується в картері і "вимиває" та розкладає присадки, що містяться в оливі.

Зміна октанового числа бензинів з добавкою води

Наприклад, при відсутності бензину з октановим числом 95 (за дослідницьким методом) можна змішати бензини з октановими чис­лами 80 та 98 (за дослідницьким методом). Для розрахунків слід користуватись значеннями октанових чисел, визначеними однако­вим методом. За "хрестом" визначається різниця в октанових чис­лах між80 і 95,98 і 95, яка складає 15 і 3 відповідно. Для одержання суміші бензинів з октановим числом 95 (за дослідницьким методом) слід змішати 3 об'єми бензину з октановим числом 80 і 15 об'ємів бензину з октановий числом 98. Для точного визначення октаново­го числа одержаної суміші бензинів необхідно провести досліджен­ня на стандартних установках. Перед змішуванням бензину попе­редньо треба порахувати його економічну доцільність.

Заміна бензинів іншими марками з меншим октановим числом неприпустима, бо виникає детонація, зменшується потужність і еко­номічність двигуна. Зміна кута випередження запалювання часто не дає належного ефекту чим більша різниця в октанових числах, тим менша імовірність усунення детонації. При використанні бен­зинів з меншим значенням октанового числа, ніж це потрібно (на­приклад, бензину А-92 замість А-95), необхідно звернути увагу на значення октанових чисел, визначених обома методами. Іноді різни­ця в октанових числах за дослідницьким методом становить 2-3 одиниці, тоді як різниця в октанових числах за моторним методом цих бензинів може бути 3-4 одиниці, що позначається на роботі дви­гуна (виникає детонація). При експлуатації автомобілів у важких умо­вах (включаючи експлуатацію автомобілів у містах) перевагу слід надавати значенням октанових чисел, визначених за моторним ме­тодом.