Вопрос54: Детонационная стойкость бензинов

Детонационная стойкость характеризует способность автомобильных бензинов противостоять самовоспламенению при сжатии. Высокая детонационная стойкость топлив обеспечивает их нормальное сгорание на всех режимах эксплуатации двигателя. Процесс горения топлива в двигателе носит радикальный характер. При сжатии рабочей смеси температура и давление повышаются и начинается окисление углеводородов, которое интенсифицируется после воспламенения смеси. Если углеводороды несгоревшей части топлива обладают недостаточной стойкостью к окислению, начинается интенсивное накапливание перекисных соединений, а затем их взрывной распад. При высокой концентрации перекисных соединений происходит тепловой взрыв, который вызывает самовоспламенение топлива. Самовоспламенение части рабочей смеси перед фронтом пламени приводит к взрывному горению оставшейся части топлива, к так называемому детонационному сгоранию. Детонация вызывает перегрев, повышенный износ или даже местные разрушения двигателя и сопровождается резким характерным звуком, падением мощности, увеличением дымности выхлопа. На возникновение детонации оказывает влияние состав применяемого бензина и конструктивные особенности двигателя. Показателем детонационной стойкости автомобильных бензинов является октановое число. Октановое число численно равно содержанию (% об.) изооктана (2,2,4,-триметилпентана) в его смеси с н - гептаном, которая по детонационной стойкости эквивалентна топливу, испытуемому на одноцилиндровом двигателе с переменной степенью сжатия в стандартных условиях на бедной рабочей смеси. В лабораторных условиях октановое число автомобильных бензинов и их компонентов определяют на одноцилиндровых моторных установках УИТ-85 или УИТ-65. Склонность исследуемого топлива к детонации оценивается сравнением его с эталонным топливом, детонационная стойкость которого известна. Октановое число на установках определяется двумя методами: моторным (по ГОСТ 511-82) и исследовательским (по ГОСТ 8226-82). Методы отличаются условиями проведения испытаний. Испытания по моторному методу проводят при более напряженном режиме работы одноцилиндровой установки, чем по исследовательскому. Поэтому октановое число, определенное моторным методом, обычно ниже октанового числа, определенного исследовательским методом. Октановое число, полученное моторным методом в большей степени характеризует детонационную стойкость топлива при эксплуатации автомобиля в условиях повышенного теплового форсированного режима, октановое число, полученное исследовательским методом, больше характеризует бензин при работе на частичных нагрузках в условиях городской езды. Детонационная стойкость автомобильных бензинов определяется их углеводородным составом. Наибольшей детонационной стойкостью обладают ароматические углеводороды. Самая низкая детонационная стойкость у парафиновых углеводородов нормального строения, причем она уменьшается с увеличением их молекулярной массы. Изопарафины и олефиновые углеводороды обладают более высокими антидетонационными свойствами по сравнению с нормальными парафинами. Увеличение степени разветвленности и снижение молекулярной массы повышает их детонационную стойкость. По детонационной стойкости нафтены превосходят парафиновые углеводороды, но уступают ароматическим углеводородам. Октановое число углеводородов снижается в следующем порядке: ароматические >изопарафины > олефины > нафтены > н-парафины. Разницу между октановыми числами бензина, определенными двумя методами, называют чувствительностью бензина. Наибольшую чувствительность имеют олефиновые углеводороды. Чувствительность ароматических углеводородов несколько ниже. Для парафиновых углеводородов эта разница очень мала, а высокомолекулярные низкооктановые парафиновые углеводороды имеют отрицательную чувствительность. Соответственно более по чувствительности (9-12 ед.) отличаются бензины каталитического крекинга и каталитического риформинга, содержащие непредельные и ароматические углеводороды. Менее чувствительны (1-2 ед.) к режиму работы двигателя алкилбензин и прямогонные бензины, состоящие из парафиновых и изопарафиновых углеводородов. Для повышения октановых чисел товарных бензинов используют также специальные антидетонационные присадки и высокооктановые компоненты (этиловую жидкость, органические соединения марганца, железа, ароматические амины, метил-третбутиловый эфир).

Причины детонации двигателя

Стук, возникающий при разгоне автомобиля, многие называют "стук пальцев" - однако это не правильно, данный звук свидетельствует о детонации. Детонация может быть спровоцирована чрезмерно ранним зажиганием. При этом топливная смесь воспламеняется преждевременно, а высвобождаемая энергия затрачивается только на увеличение силы трения в кривошипно-шатунном механизме и может привести к повреждению пар трения (например, к образованию задиров на коленвале и вкладышах).

Еще одной причиной возникновения детонации двигателя - является использование топлива, октановое число которого ниже, чем это предусмотрено в технических требованиях конкретного двигателя (например, использование бензина А-76 вместо А-95).

Фактически, низкооктановые бензины - рассчитаны на использование в двигателях, степень сжатия в которых ниже, чем в тех двигателях, которые рассчитаны на использование более высокооктановых бензинов. Поэтому, топливная смесь, приготовленная из низкооктанового бензина (при ее использовании в двигателе с более высокой степенью сжатия) - сгорает со скоростью взрыва, при чем выделяется большое количество тепловой энергии, что в свою очередь, при продолжительной эксплуатации двигателя приводит к его серьезным повреждениям.

Признаками детонации является черный дым из выхлопной трубы и падение мощности двигателя из-за нарушения процесса горения топливной смеси.

Полное отсутствие детонации - тоже плохо и может свидетельствовать либо о слишком позднем зажигании, либо об использовании более высокооктанового бензина.

При чрезмерно позднем зажигании - происходит перерасход топлива (из-за его неэффективного использования), а также возникает перегрев двигателя из-за того, что топливо дольше сгорает (из-за несколько пониженного давления).

Также, здесь следует отметить, и о том, что использование более высокооктанового бензина по сравнению с тем, на использование которого рассчитан конкретный двигатель - тоже вредно. Высокооктановый бензин в двигателях с низкой степенью сжатия горит несколько дольше, в результате чего возникает опасность его перегрева (в частности, повреждения выпускных клапанов).

ДЕТОНАЦИЯ – подробно.

На некоторых режимах работы автомобиля, обычно связанных с большой нагрузкой, при использовании бензина, качество которого не полностью отвечает требованиям двигателя, может возникнуть особый вид сгорания рабочей смеси, так называемое детонационное сгорание. Такое сгорание сопровождается появлением характерного звонкого металлического стука, повышением дымности выхлопа и увеличением температуры в цилиндрах двигателя. Все внешние признаки и проявления детонации хорошо известны, однако, причины возникновения и механизм этого явления до сего времени выяснены не полностью. Существует несколько теорий, объясняющих сущность детонационного сгорания, но наиболее общепризнанной из них в настоящее время является так называемая перекисная теория. В основе этой теории лежат труды выдающегося русского ученого акад. А.Н. Баха, который установил, что при окислении углеводородов первичными продуктами являются перекисные соединения типа гидроперекиси R—О—О—Н или диалкилперекиси R—О—О—R. Перекиси относятся к разряду весьма нестойких соединений, обладающих большой избыточной энергией. При определенных температурах и давлении перекисные соединения могут самопроизвольно разлагаться с выделением большого количества тепла и образованием новых активных частиц.                       Процесс окисления углеводородов бензина кислородом воздуха начинается с момента производства бензина на заводе и продолжается вплоть до сгорания бензина в двигателе. Скорость окисления зависит от температуры. При повышении температуры бензина на 10° С скорость его окисления возрастает в 2, 2—2, 4 раза. При хранении и транспортировке бензина температура его обычно невысока, поэтому окисление углеводородов и образование перекисных соединений происходит весьма медленно. Перекисные соединения в таких условиях не накапливаются, а подвергаются дальнейшему окислению с образованием смолистых веществ. Энергичное окисление углеводородов бензина начинается в камере сгорания в конце такта сжатия рабочей смеси. При движении поршня к в.м.т. непрерывно повышается температура и давление в рабочей смеси и возрастает не только скорость окисления углеводородов, но в процесс окисления вовлекается все большее и большее количество различных соединений. Процессы окисления приобретают особенно большую скорость после воспламенения смеси и образования фронта пламени. По мере сгорания рабочей смеси температура и давление в камере сгорания быстро нарастают, что способствует дальнейшей интенсификации процессов окисления в несгоревшей части рабочей смеси. На последние порции несгоревшего топлива, находящиеся перед фронтом пламени, высокие температура и давление действуют наиболее длительно. Вследствие этого в них особенно интенсивно накапливаются перекисные соединения, поэтому наиболее благоприятные условия для перехода нормального сгорания в детонационное создаются при сгорании именно последних порций рабочей смеси. Описанные выше процессы окисления углеводородов с образованием перекисных соединений протекают в двигателе всегда, независимо от того, какое сгорание имеет место: нормальное или детонационное. Если в двигателе используется такой бензин, в составе которого преобладают углеводороды, не образующие при окислении большого количества перекисных соединений, то концентрация перекисей в последних порциях смеси не достигает критических значений, и сгорание заканчивается нормально, без возникновения детонации. Если при окислении бензина в последних порциях смеси накапливается много перекисных соединений, то свыше некоторого критического значения происходит их взрывной распад с образованием так называемого «холодного пламени». Продуктами сгорания в этом пламени являются главным образом альдегиды и СО, так что и энергия, выделяемая в «холодном пламени», составляет лишь малую часть от полной теплоты сгорания топлива (5—10%) с соответственно незначительным повышением температуры. Свечение холодного пламени обязано оптическому возбуждению молекул формальдегида непосредственно при их образовании, т. е. возникает за счет энергии химической реакции (хемилюминесценция). Распространение холодного пламени по рабочей смеси, в отличие от -нормальных горячих пламен, осуществляется исключительно диффузией в свежую смесь активных частиц, радикалов, образующихся при распаде перекисей. Результатом холоднопламенной стадии является замена исходного, относительно инертного углеводорода химически активной смесью органических перекисей, альдегидов и свободных радикалов. Эта активная смесь подвергается дальнейшему окислению и после некоторого периода индукциипроисходит новый взрывной распад перекисных соединений, аналогичный прежнему, но с вовлечением большей массы исходной смеси и с участием большего количества перекисных соединений. При этом возникает особый тип пламени, промежуточный между холодным и горячим, названный А. С. Соколиком [ ] «вторичным холодным пламенем». Реакция идет в нем так же, как в холодном пламени, не до конечных продуктов СО2 и Н2О, а до СО, но степень разогрева в этом пламени уже велика и соответствует выделению примерно половины полной энергии сгорания, поэтому «вторичное холодное пламя» распространяется с большей скоростью не только за счет диффузии активных центров, но и за счет теплопередачи. После прохождения «вторичного холодного пламени» остается на гретая до высокой температуры смесь СО и неиспользованного кислорода. При достаточно высокой концентрации активных центров происходит цепочечно-тепловой взрыв этой смеси, рождающий настоящее горячее пламя, т. е. происходит самовоспламенение [1]. Вначале самовоспламенение и образование нового фронта горячего пламени происходит в одном или нескольких местах несгоревшей части рабочей смеси. Одновременно с новым фронтом горячего пламени возникает новый фронт ударной волны. Ударные волны, распространяясь по нагретой активной смеси, в которой предпламенные реакции близки к завершению, стимулируют самовоспламенение остальной несгоревшей части рабочей смеси. При этом скорость распространения фронта горячего пламени в оставшейся части смеси становится такой же, как и скорость распространения ударных волн, т. е. появляется детонационная волна сгорания, имеющая скорость до 2000—2500 м/сек. Таким образом, сущность явления детонации состоит в весьма быстром завершении процесса сгорания в результате многостадийного самовоспламенения части рабочей смеси перед фронтом пламени, сопровождающегося возникновением ударных волн, которые, в свою очередь, стимулируют сгорание всей оставшейся рабочей смеси со сверхзвуковой скоростью. Изложенные выше представления о цепном механизме детонационного сгорания основаны на трудах акад. Н. Н. Семенова и подтверждаются многочисленными экспериментальными данными. Рисунок 1 иллюстрирует исследования, перемещения фронта пламени при нормальном и детонационном сгорании смеси в специальном двигателе, оборудованном аппаратурой для скоростной фотосъемки. Очаг детонационного сгорания отмечен в наиболее удаленном от свечи зажигания месте. Весь процесс детонационного сгорания завершился при повороте коленчатого вала на 6—7° после в. м. т., тогда как нормальное сгорание в этих условиях протекало значительно дольше и заканчивалось при повороте коленчатого вала более чем на 14° после в. м. т. (Рисунок 1). В пользу многостадийного воспламенения несгоревшей порции рабочей смеси говорит тот факт, что в спектре испускания пла-

Рисунок 1 . Распространение фронта пламени в цилиндре двигателя. Сплошными ли- ниями обозначены мгновенное положение фронта пламени через каждые 2° поворота коленчатого вала: А — при угле опережения зажигания 20° до ВМТ и нормальном сгорании; Б — при угле опе- режения зажигания 19, 2° до ВМТ и сгорании с детонацией; Х— искра; Д — место возникно- вения детонации.

мени в детонационной зоне исчезают характерные для углеводородных пламен полосы С—С и С—Н. Это обстоятельство свидетельствует о том, что горячее пламя возникает в данном случае не в исходной углеводородо-воздушной смеси, а в продуктах ее превращения, содержащих главным образом СО. При помощи спектров поглощенияв смеси перед детонационным воспламенением обнаружены органические перекиси и альдегиды и, наконец, специфические для холодных пламен возбужденные молекулы формальдегида [1]. Установлено, что введение в камеру сгорания небольших количеств диэтилперекиси (С2H5ООС2H5) или этилгидроперекиси (С2Н5ООН) вызывает очень сильную детонацию. Резкую детонацию вызывало введение гидроперекиси ацетила (СНзСООН). В последней порции рабочей смеси в двигателе перед началом детонации были обнаружены органические перекиси, аналогичные гидроперекиси ацетила, в таких количествах, которые по опытам с чистой перекисью необходимы для вызова детонации [ ]. Внешние признаки детонационного сгорания мы уже отмечали: характерный стук, дымный выхлоп и перегрев двигателя. Металлический стук является результатом многократных периодических отражений ударных волн от стенок камер сгорания. При этом на индикаторных диаграммах в конце сгорания регистрируются вибрации давления в виде ряда постепенно затухающих острых пиков (рис. Рисунок 2). Частота вибраций давления примерно такая же, как и основная частота слышимых стуков — порядка нескольких тысяч гц. В связи с этим при детонации мы слышим звонкий металлический стук высоких тонов.

Рисунок 2 . Типичные индикаторные диаграммы двигателя с искровым зажиганием при работе с детонацией.

 

Само по себе повышение давления, возникающее во фронте ударных волн, с точки зрения механической прочности деталей двигателя, не представляет особой опасности, так как эти пики давления действуют в виде крайне коротких импульсов, длящихся менее одной десятитысячной доли секунды. Однако ударные волны при своем многократном отражении от стенок могут механически    «сдирать» масляную пленку с поверхности   гильзы, что приводит к увеличению износа цилиндров и поршневых колец. Кроме того, вибрационный характер нагрузки на поршень при наличии детонации может вызывать разрушение антифрикционного слоя в шатунных подшипниках [ ]. В результате большой скорости и взрывного характера сгорания при детонации часть топлива и промежуточных продуктов сгорания «разбрасывается» по объему камеры, перемешивается с конечными продуктами сгорания и не успевает полностью сгореть. Следствием неполноты сгорания смеси при детонации является увеличение дымности выхлопа. Главная опасность детонации заключается в повышенной отдаче тепла от сгоревших газов в стенки камеры сгорания и днище поршня из-за более высоких температур в детонационной волне и увеличения коэффициента теплоотдачи в результате срыва пограничного слоя более холодного газа [3]. Увеличенная теплоотдача в стенки приводит к перегреву двигателя и может вызвать местные разрушения поверхности камеры сгорания и днища поршня, первоначально выражающиеся в появлении на поверхности металла небольших щербин. Часто в первую очередь происходит разрушение кромок прокладки между цилиндром и головкой, завершающееся ее прогоранием. Характерно расположение таких разрушений во вполне определенных для дан ного двигателя местах, зависящих от конфигурации камеры сгорания, что связано с зонами преимущественного возникновения детонации и условиями отражения ударных волн от стенок [3]. Следует отметить, что еще до появления каких-либо видимых разрушений работа двигателя с детонацией ведет к повышенному износу деталей [ ]. Так, в Таблица 1 приведены результаты исследования [ ] влияния детонации на износ цилиндров. Опыты проводились на шестицилиндровом двигателе таким образом, что три цилиндра работали с детонацией, а три других — без детонации. Через 200 ч испытаний проводился второй этап, во время которого три цилиндра, ранее работавшие без детонации, переводились на детонационный режим, и наоборот. Исследования показали, что при работе двигателя с детонацией, в тех случаях, когда не наблюдается аварийных разрушений, происходит снижение его долговечности в 1, 5—3 раза.

Таблица 1 . Влияние детонации на износ (в мк) цилиндров [30]

Условия испытаний	Средний макси- мальный износ	Средний износ в верхнем поясе	Средний износ по всем поясам
Работа с детонацией
в течение 100 ч
I этап	11, 0	5, 0	2, 7
II этап	13, 3	5, 3	2, 5
в течение 200 ч
I этап	19, 4	9, 7	4. 6
II этап	21, 1	10, 9	4, 8
Работа без детонации
в течение 100 ч	4, 6	2, 4	1, 8
I этап	4, 1	1, 1	1, 3
II этап
в течение 200 ч	8, 1	4, 1	3, 1
I этап	5, 5	2, 0	2, 9
II этап

 

Распределение износов по высоте цилиндра видно из данных, приведенных на Рисунок 3. Они свидетельствуют о том, что длительная работа двигателя с детонацией совершенно недопустима. Основные положения перекисной теории детонации позволяют объяснить влияние различных факторов на возникновение детонационного сгорания в двигателе и помогают наметить пути борьбы с этим явлением. Согласно перекисной теории детонации повышение температур и давления в цилиндрах двигателя должно способствовать ускорению образования перекисных соединений и быстрейшему достижению критических концентраций, приводящих к детонации. Увеличение продолжительности пребывания последних порций топлива в камере сгорания также должно вести к образованию критических концентраций перекисных соединений и возникновению детонации. Эти положения хорошо объясняют влияние на возникновение детонационного сгорания таких показателей, как степень сжатия двигателя, форма камеры сгорания, диаметр цилиндра, материал поршней и головки блока цилиндров, наличие отложений нагара, угол опережения зажигания, число оборотов коленчатого вала, температура и влажность окружающего воздуха, состав смеси, температура охлаждающей жидкости и т. д. [ , , , , ].

Рисунок 3 . Радиальный износ цилиндра при работе двигателя [16].

Детонация в двигателе с цилиндром увеличенного диаметра при всех прочих равных условиях возникает быстрее, поскольку в таком двигателе ухудшаются условия отвода тепла. Форма  камеры  сгорания должна быть такой, чтобы в ней не было мест, значительно удаленных от источника зажигания, и обеспечивался наилучший отвод тепла от той части рабочей смеси, которая догорает в последнюю очередь. Алюминиевые   поршни и головка блока цилиндров лучше отводят тепло, чем чугунные, поэтому условия для возникновения детонации в двигателях с алюминиевыми поршнями и головкой блока цилиндров менее благоприятны. Отложения нагара в камере сгорания затрудняют отвод тепла и тем самым способствуют возникновению детонации. При увеличении числа оборотов коленчатого вала сокращается время пребывания топлива в камере до сгорания за счет повышения скорости распространения фронта пламени, что приводит к снижению конечных концентраций перекисных соединений и затрудняет  возникновение детонации. Детонация в двигателе ослабевает или совсем исчезает при уменьшении угла опережения зажигания вследствие того, что при этом снижаются температура и давление газов в цилиндре двигателя и остается меньше времени на образование перекисных соединений. Наиболее эффективное средство предотвращения детонации в двигателе — это применение топлива, имеющего достаточную химическую стойкость в условиях камеры сгорания, т. е. обладающего необходимыми антидетонационными свойствами.

Октановое число

 

число, соответствующее характеристике детонационной стойкости топлив для двигателей с воспламенением от искры; численно равно объемной доле изооктана (его стойкость принята за 100) в смеси с Н-гептаном (его стойкость принята за 0), при которой эта смесь по детонационным характеристикам эквивалентна испытуемому топливу (это определение больше относится к ОЧМ). В любом случае, ОЧ – это мера способности топлива противодействовать детонации в карбюраторном или инжекторном двигателях, а определяется ОЧ по исследовательскому (ОЧИ) или по моторному (ОЧМ) методам. Присутствует в марке бензина, как число – А-76 (моторный метод), АИ-92 (исследовательский метод), АИ-95, АИ-98. Чем выше октановое число, тем более высокие степени сжатия может выдержать топливо без детонации. Следовательно, двигатель на бензине с более высоким октановым числом может развить большую мощность. В США и Канаде используется октановый индекс. Для повышения октанового числа используются различные присадки

Исследовательский метод определения ОЧ

 

RON – метод определения октанового числа для высокооктановых бензинов, о чем свидетельствует буква «И» в обозначении бензина в России (АИ-96), хотя допускается выпуск бензинов А-80, А-92 и А-96, октановое число которых определено по исследовательскому методу. Исследовательский и моторный методы определения ОЧ отличаются только условиями проведения испытаний: в моторном температура и обороты выше, поэтому октановое число, определенное по этому методу, ниже, чем полученное по исследовательскому. Например, по моторному методу ОЧ Аи-98 получилось бы равным 88. Отсюда следует возможность существования бензинов с октановым числом более 100, теоретически, казалось бы, невозможным (правда, они используются только в авиации). Прямой зависимости между результатами замеров по моторному и исследовательскому методам нет

Моторный метод определения ОЧ

 

MON – метод определения октанового числа по аналогии. Одноцилиндровый мотор с переменной степенью сжатия доводят до появления детонации исследуемого топлива. Затем подбирается смесь двух видов углеводородов – изооктана, который считается абсолютно не склонным к детонации (ОЧ=100), и Н-гептана, чья детонационная стойкость приравнена к нулю (ОЧ=0). Процентное содержание изооктана в смеси, детонирующей при той же степени сжатия, что и исследуемое топливо, и будет являться октановым числом последнего. В России автомобильные бензины обозначаются буквой «А» и цифрами, соответствующими октановому числу. Существует также исследовательский метод