книги из ГПНТБ / Итинская, Н. И. Топливо, смазочные материалы и технические жидкости учеб. пособие

для данного типа двигателя. Детонационная стойкость топлива — способность противостоять детонации оце­ нивается октановым числом.

§ 4. Октановое число

Детонационная стойкость как индивидуальных угле­ водородов, так и нефтяных топлив неодинаково проявляет­ ся на бедных и богатых горючих смесях. При избытке кис­ лорода (бедные смеси) высокую детонационную стойкость имеют изомеры парафиновых углеводородов. При недостат­ ке кислорода (богатые смеси) более стойки ароматические углеводороды. При любых составах рабочих смесей наи­ меньшую детонационную стойкость имеют парафиновые углеводороды нормального строения. Нафтеновые и непре­ дельные углеводороды занимают промежуточное поло­

жение.

Поскольку углеводороды, обладающие высокой дето­ национной стойкостью (изопарафины, ароматики), неоди­ наково ведут себя на различных смесях, для более полной характеристики высокооктановых топлив их детонацион­ ную стойкость оценивают при работе двигателя на бедной и богатой смесях. Работой двигателя на бедных смесях оценивается октановое число, а на богатых — сортность топлива. Октановое число устанавливается для всех бен­ зинов (автомобильные, авиационные), а сортность — толь­ ко для авиационных.

Октановое число бензина устанавливают методом его сравнения с эталонным топливом на специальной одно­ цилиндровой установке. Эталонное топливо составляют из двух индивидуальных углеводородов: изооктана (вы­ сокая детонационная стойкость) и н-гептана (низкая дето­ национная стойкость). Физические свойства этих углево­ дородов близки, но строение различно, чем и объясняется их разная детонационная стойкость.

Изооктан С8Н18 — один из изомеров октана, а именно 2, 2,4-триметилпентан, его строение

СН3— С—СН2—сн—сн3

СН3

Условно детонационная стойкость изооктана принята за 100 единиц. Он не детонирует в двигателях до степени сжа­

80

тия s —8,15 8,3. Н-гептаи С7Н 1в имеет цепочное строение СЫз СН2 СН2 — СН2 — СН2 — СН2 — СН3, его де­ тонационная стойкость принята за нуль, он мог бы рабо­ тать в двигателях со степенью сжатия е=3,5. Следова­ тельно, смешивая в определенных объемах эти углеводо­

роды, можно получить детонационную стойкость от 0 до 100 единиц.

Наиболее распространенным и общепринятым показа­ телем детонационной стойкости является октановое число, определяемое моторным методом. Для этой цели у нас в Советском Союзе и в некоторых демократических странах используется одноцилиндровая установка ИТ9-2М, поз­ воляющая проводить испытания с переменной степенью сжатия (е от 4—10 единиц).

При строго определенных условиях двигатель работа­ ет на топливе, октановое число которого нужно установить. Постепенно увеличивают степень сжатия, пока двигатель не начнет детонировать. Интенсивность детонации фикси­ руется приборами. Затем при данной степени сжатия дви­ гатель работает на эталонной смеси, состав которой под­ бирают так, чтобы интенсивность детонации была одина­ ковой с испытуемым топливом. Количество изооктана в эталонной смеси и показывает октановое число топлива.

Итак, октановое число — это условная единица измерения детонационной стойкости топлив, которая показывает процентное содержание (по объему) изооктана в искусст­ венно приготовленной смеси, состоящей из изооктана и гептана, .по своей детонационной стойкости равноценной испытуемому топливу. Например, в бензине марки А-76 цифра показывает, что его детонационная стойкость та­ кая же, как и у смеси — 76% изооктана и 24% гептана.

Во многих капиталистических странах, а за последние годы и у нас в СССР детонационная стойкость, кроме мо­ торного, определяется и по исследовательскому методу на установке ИТ9-6. Испытания бензина проводятся в ре­ жиме работы двигателя легкового автомобиля при его езде в условиях города (ограниченные мощности, частые остановки, пониженный тепловой режим). Если октановое число определено по исследовательскому методу, то это указывается в марке бензина. Например, АИ-98 — автомо­ бильный бензин, октановое число по исследовательскому методу равно 98 единицам.

Режим работы двигателя при определении октанового чхгсла по моторному методу более форсирован, характери-

81

Зуется большей тепловой напряженностью, он соответст­ вует длительной работе груженого автомобиля при его движении по загородным маршрутам.

В таблице 5 приведены условия испытания автомобиль­ ных бензинов при определении октановых чисел по мотор­ ному и исследовательскому методам [10].

но условия испытаний на них разные. На установке УИТ65 можно определять октановые числа как по моторному, так и по исследовательскому методу.

По моторному методу лучше оценивать детонационную стойкость топлив, применяемых в нижнеклапанных дви­ гателях с небольшой степенью сжатия, а по исследова­ тельскому — в высокофорсированных двигателях с верх­ ним расположением клапанов. Разницу в октановых чис­ лах, определенных по моторному и исследовательскому методам, называют чувствительностью топлива.

Сортность авиационных бензинов определяют на бога­ той смеси на установке ИТ9-1 с наддувом, которая но кон­

82

струкции и режиму работы заметно отличается от установ­ ки ИТ9-2 [8]. Если определена сортность, то в марке бензи­ на указывают две цифры. Например, Б95/130—бензин авиа­ ционный, цифра в числителе указывает октановое число, определенное по моторному методу, в знаменателе — сорт­ ность (цифра 130 показывает, что двигатель при работе на богатой смеси развивает мощность на 30% выше, чем изооктан).

Некоторые углеводороды имеют октановые числа выше, чем изооктан (толуол 103, триптан 104, м-ксилол 103), другие — ниже, чем н-гептан (н-октан минус 20, н-декан минус 53), следовательно первые углеводороды по детона­ ционной стойкости выше изооктана, а вторые — ниже н-гептана.

Для сравнения в таблице 6 приведены октановые числа некоторых углеводородов, содержащих в молекуле по шесть углеродных атомов.

§ 5. Антидетонаторы

Для современных двигателей требуются бензины с вы­ сокой детонационной стойкостью. Такие бензины можно получить подбором сырья, технологией переработки, до­ бавлением высокооктановых компонентов. Очень часто октановое число повышают, вводя в бензин антидетона­ торы — вещества, добавляемые к топливу в небольших количествах для повышения его детонационной стой­ кости.

В настоящее время в качестве антидетонатора ис­ пользуют тетраэтилсвинец (ТЭС) РЬ(С2Н 6)4 — густую бес-

83

цветную, очень ядовитую жидкость, имеющую р^0—1,659 и температуру кипения 200°. Тетраэтилсвинец легко раст­ воряется в нефтепродуктах и не растворяется в воде. ТЭС тормозит образование перекисных соединений в топ­ ливе, что уменьшает возможность возникновения детона­ ции. Наиболее эффективно добавлять первые небольшие порции антидетонатора до 0,5—1,0 г/кг. При больших кон­ центрациях ТЭС в топливе возрастает ядовитость бензина снижается надежность работы двигателя из-за накопления отложений свинца в камере сгорания, а детонационная стойкость повышается незначительно.

ТЭС — очень ядовит, может проникать в кровь чело­ века через поры кожи и постепенно накапливаться там, а также попадать в организм через дыхательные пути! Накопление в организме свинца приводит к трудноизле­ чимым, иногда неизлечимым заболеваниям. Даже неболь­

шие дозы ТЭС в пище вызывают смертельные отрав­ ления.

В настоящее время ТЭС в чистом виде в топливо не добавляют, так как при использовании такого топлива про­ исходит постепенное освинцовывание деталей двигателя (накопление свинца в камере сгорания, на днище поршня, клапанах и др.), что нарушает нормальную эксплуатацию двигателей, повышает износы и вызывает отравления ра­ бочих, связанных с разборкой и ремонтом. ТЭС вводят в

топливо в виде этиловой жидкости (ЭЖ), которая состоит из андидетонатора ТЭС, хлористых и бромистых органиче­ ских соединений, способствующих удалению свинца из камеры сгорания вместе с выхлопными газами.

более широко применяется, особенно в автомобильных бензинах, жидкость Р-9, состоящая из 54% ТЭС, 33% бро­ мистого этила С2Н 5Вг и около 7% хлористого нафталина С10Н7С1, остальное — наполнитель (бензин Б-70) и краси­ тель. Бензины, в которые добавлена этиловая жидкость, называются этилированными, для предупреждения об их

ядовитости они окрашены в красный, синий, зеленый или желтый цвет.

Механизм действия антидетонатора ТЭС полностью не изучен. Известно, что при температурах от 500° происхо­ дит разложение ТЭС на РЬ и группу С2Н 6. Выделяющийся ион РЬ окисляется до РЬОг. Двуокись свинца реагирует с гидроперекисями и перекисями, разрушая и прерывая

84

цепи окисления:

R—СН2 —О— О — II -|- Pb02- + R —С ^ + РЬ0 + Н20 + 4-°2-

Образуются менее активные соединения (альдегиды и окись свинца), а также освобождается атом кислорода, который снова взаимодействует с РЬО, тем самым регенерируя ТЭС и восстанавливая его аптидетонационное действие. Сле­ довательно, ТЭС и продукты его распада, находясь в ра­ бочей смеси, задерживают накопление перекисей и ото­ двигают момент такой их концентрации, при которой воз­ никает детонация. Если в топливе содержится сера, то аптидетонационное действие ТЭС резко снижается, так как образуется сернокислый свинец, прерывающий цеп­ ной вид реакции разложения перекиси и восстановления двуокиси свинца.

При хранении этилированных бензинов их детонацион­ ная стойкость снижается в результате некоторого разложе­ ния ТЭС. Ускоряет этот процесс наличие в топливах воды, хранение топлива в незачищенных резервуарах, имеющих отложения смол и других осадков, хранение при повы­ шенных температурах, смешение продуктов и т. п.

Лицам, работающим с бензином, необходимо помнить о ядовитости этилированного горючего и соблюдать прави­ ла техники безопасности при обращении с ним.

Длительный период велись и ведутся работы по изыс­ канию неядовитых эффективных антидетонаторов. Боль­ шие исследовательские работы и разносторонние испыта­ ния по замене ТЭС марганцевыми антидетонаторами под­ ходят к концу. Были предложены и прошли испытания различные неядовитые марганцевые антидетонаторы: пен-

85

такарбонилмаргапца [Мп(СО).31, метилциклопентадиэтилтрикарбонилыарганца 1СП3С6Н4Мп(СО)я1, сокращенно обозначаемый МЦ1Ш, и др.

Наилучшие результаты были получены при использо­ вании МЦКМ, эффективность которого примерно такая же, как и у ТЭС (см. табл. 7).

МЦКМ — это совершенно неядовитая желтая яшдкость, хорошо растворяющаяся в бензинах, кипит при 233°, застывает при 1,7°.

§6. Влияние свойств топлив на нагзрообразование

вдвигателе

Процесс нагарообразования на деталях двигателя сложен, он зависит от конструкции камеры сгорания и системы питания, условий эксплуатации, технического со­ стояния, а главное, от качества сжигаемого топлива и при­ меняемого масла. Многие свойства топлива прямо или кос­ венно влияют на образование нагара, а именно: количество смол и смолообразующих веществ в топливе, его фрак­ ционный и химический состав, наличие антидетонаторов, сернистых соединений, механических примесей. Сущест­ венно влияет количество и чистота воздуха, необходимого для сгорания топлива. Если не обеспечивается полнота сгорания топлива, то выделяющиеся при горении мелкие дисперсные углеродистые частицы (сажа) не только уно­ сятся с выхлопными газами, но оседают на горячих де­ талях, т. е. участвуют в нагарообразовании.

Чем тяжелее фракционный состав и выше плотность, чем больше в топливе непредельных и ароматических уг­ леводородов, тем выше склонность к нагарообразованию. Основное влияние на нагарообразование оказывают смо­ листые вещества. Для бензинов разных марок количество фактических смол колеблется от 2 до 15 мг/100 мл, а для керосинов доходит до 40 мг/100 мл. Если в двигателе сжи­ гать топливо, в котором содержание фактических смол отвечает требованиям стандарта, то длительное время не наблюдается повышенное смоло- и нагарообразование. Но в топливах содержатся и смолообразующие вещества, которые под действием времени, кислорода и температуры переходят в фактические смолы. Чем хуже условия тран­ спортировки и хранения, тем больше образуется смол.

Накапливаясь в топливе, смолы осаждаются в резер­ вуарах, топливных баках, на стенках топливопроводов,

86

в карбюраторе, нарушая нормальную работу системы питания. Тяжелые углеводородные молекулы, входящие в состав смол, не могут испаряться, они оседают на стенках всасывающего трубопровода и на клапанах. На рисунке 24 показан впускной клапан с отложениями смолистых веществ. Наиболее интенсивно смолы осаж­ даются па горячих стенках трубопро­ водов, где они постепенно уплотняют­ ся и образуют отложения нагара.

Значительное накопление нагара приводит к уменьшению сечения тру­ бопровода, что снижает мощность и

ухудшает экономичность двигателя. В состав нагара, обра­ зующегося во всасывающем коллекторе, кроме углеродис­ тых веществ, входят механические примеси, проникающие с топливом и воздухом. Нагар, накапливающийся на кла­ панах и в камере сгорания, кроме углеродистых соедине­ ний и механических примесей может содержать окислы тех металлов, которые входят в состав антидетонаторов и присадок, добавляемых в моторные масла.

Поскольку количество смол в топливе не остается по­ стоянным, а увеличивается за счет реакции окисления, по­ лимеризации и конденсации, очень важным параметром оценки эксплуатационных свойств топлива является его стабильность. Стабильность карбюраторного топлива ха­ рактеризует его химический состав, содержание потенци­ альных смол, или, иначе, смолообразующих веществ, которые под действием времени, кислорода, повышенной температуры и других факторов могут перейти в факти­ ческие смолы.

По ГОСТ 4039—48 стабильность топлива оценивается индукционным периодом в минутах. Индукционным пе­ риодом называется время от начала искусственного окисле­ ния топлива до активного поглощения им кислорода. Топ­ ливо окисляется в специальной бомбе при температуре 100° и давлении кислорода 7,0 кгс/см2. Общий вид прибора для определения индукционного периода дан на рисунке 25. Внутрь бомбы 1 ставят стаканчик 3 с испытуемым топ­ ливом (100 мл). Бомбу герметически закрывают и помеща­ ют в ванну с кипящей водой. В бомбу под давлением 7 кгс/см2 подается кислород, давление регистрируется ма-

87

кие кислоты повышают коррозийность. Количество смолообразующих веществ в топливе зависит от химического состава сырья, способов его переработки и качества очистки. Плохой стабильностью обладают топлива, в состав которых входит большое количество крекинговых пР0ДУктов с высоким содержанием непредельных углево­ дородов. Для повышения стабильности топлив при их получении вводят небольшое количество (тысячные, сотые доли процента) стабилизаторов: фенол, а- и р-нафтол, гидрохинон, аминофенол и другие, которые тормозят процесс окисления и тем самым увеличивают индукцион­ ный период.

80