Детонационная стойкость бензина: оценка, определение, способы повышения

Бензин является продуктом нефтепереработки – это жидкость, состоящая из легких углеводородных фракций, что обеспечивает ее высокую испаряемость и воспламеняемость. Чтобы эксплуатация горючего была максимально безопасной, необходимо обеспечить стойкость итогового состава к самовоспламенению в рабочей камере вследствие воздействия высоких температур.

Детонационная стойкость – ключевой показатель качества бензина, определяемый так называемым октановым числом.

Детонационная стойкость

Детонация – или самовоспламенение – бензинов происходит из-за того, что во время обработки топливно-воздушной смеси в рабочей камере образуются пероксиды, которые, достигая высокой концентрации и под воздействием повышенной температуры и высокого давления моторного узла, самовоспламеняются. Правильнее сказать, даже взрываются, потому что процесс происходит за долю секунды. Когда случается детонация автомобильных бензинов, водитель может услышать характерный звук.

Впрыск и горение топливной смеси – это сбалансированные процессы, и этот баланс поддерживается всеми элементами топливной системы. Если что-либо в механизме нарушено, увеличивается вероятность детонации. Причинами самовоспламенения могут стать:

• слишком большой объем кислорода в смеси;
• неисправная работа системы охлаждения двигателя;
• преждевременное воспламенение топливной смеси вследствие опережения подачи искры;
• слишком низкое октановое число бензина;
• рост углеродистых наслоений на поверхностях механизмов, что обеспечивает дополнительное тепло;
• некачественный бензин с дымным выхлопом.

Две волны – одна от искры, другая от самовоспламенения – ударяясь друг от друга, выделяют огромное количество тепла, перегружая таким образом мотор.

Детонационная стойкость топлива – параметр, определяющий, как будет гореть и расходоваться топливная смесь, а значит, от него напрямую зависит комфорт управления транспортным средством.

Определить, детонирует ли топливо, проще всего на слух. Звук, характерный для удара, повторяется в районе капота регулярно, громко и напоминает постукивание по металлу. Что происходит в это время в рабочей камере?

1. Разрушаются поршневые кольца. Повышенное давление ударной волны выбивает перегородки механизма.
2. Выходят из строя заглушки клапанов.
3. Сгорает цилиндрический уплотнитель; кривошипно-шатунный механизм подвергается нагрузкам, которые может не выдержать.

В самых худших случаях машина глохнет всего через несколько минут такой активной детонации.

Количественной характеристикой детонационной стойкости является октановое число бензина, однако не только от него зависит безопасное сгорание жидкого нефтепродукта. Также необходимо обращать внимание на:

1. Точный угол зажигания – если угол ранний, это повод обратиться в сервисную службу.
2. Форсунки и свечи должны быть в порядке – тогда смесь с кислородом образуется правильно, жидкость поступает в моторный узел своевременно.
3. Следите за состоянием системы охлаждения двигателя, своевременно обновляйте охлаждающий состав.
4. Используйте продукты автохимии для чистки внутренних узлов цилиндро-поршневой группы, в частности, для удаления застарелого нагара.

Оценка детонационной стойкости

Если условная характеристика детонационной стойкости бензина это октановое число, то оценка детонационной стойкости проводится путем вычисления этой самой характеристики.

Поскольку вещества для повышения октанового числа – присадки – добавляются в бензины на этапе заводского производства, то оценка ОЧ проводится в лабораторных условиях.

Прежде всего определимся, что характеризует октановое число в точки зрения химии. Эта условная единица демонстрирует процентное соотношение двух типов соединений на основе углерода в топливе – изооктана и n-гептана. Ключевое качество изооктана – предельного алифатического углеводорода – низкая воспламеняемость. Поэтому детонационная стойкость бензина оценивается по доле изооктана в веществе.

Параметр стойкости к самовоспламенению полностью автономен и не зависит от других технических характеристик бензинов. Не стоит путать октановое число с удельной теплотой сгорания. Второе свойство – это тот объем тепловой энергии, который обеспечивается сгоранием одной условной единицы исследуемого вещества. Эти два пункта совершенно не связаны. Для примера: самая популярная марка бензина АИ-92 с удельной теплотой сгорания в 43,6 МДж/кг имеет октановое число соответственно 92, а чистый гексан, у которого теплота сгорания чуть больше, обладает октановым числом всего в 22 единицы. Метил-трет-бутиловый эфир, известный также как присадка для увеличения октанового числа МТБЭ, обладает «чистым» ОЧ в 125 пунктов и достаточно низкой удельной теплотой – 35,1 МДж/кг.

Таким образом, детонационная стойкость бензина зависит от его углеводородного состава и качества используемых присадочных компонентов и не испытывает влияния других факторов.

Методы определения детонационной стойкости бензина

Исследование бензинов на детонационную стойкость проходят в имитации условий работы двигателя внутреннего сгорания – либо непосредственно в самом механизме, либо на имитационных конструкциях с одним цилиндром. Во втором случае существует две методики определения ОЧ:

1. Моторный метод. Вычисляется разница между тестируемым образцом и эталонной смесью в условиях повышенной нагрузки. Оба вещества тестируются при одной и той же степени сжатия. Во время тестирования регулируется подача жидкости и воздуха в топливной смеси. При достижении предельной активности процесса самодетонации в исследуемом образце, проводится сравнение с эталонной смесью, имеющей при стабильной самодетонации то же октановое число.
2. Исследовательский метод. Процесс предполагает тестирование вещества при оборотах двигателя в 600 ед/мин и температуре воздуха +52 градуса. Сопоставляется стабильная самодетонация жидкости и та же характеристика эталонного состава при той же степени сжатия.

Все испытательные процессы регулируются ГОСТ.

Марки автомобильных бензинов в розничной продаже указываются в соответствии с октановым числом по исследовательскому методу – это ассортимент бензинов АИ-92, АИ-95, АИ-98, АИ-100, где А – бензин автомобильный, И – исследовательский метод определения ОЧ, 95 / 98 / 100 – само октановое число.

Таблица 1. Сопоставление точного октанового числа бензинов по моторному и исследовательскому методу

Эталонные вещества для оценки – изооктан и n-гептан – это не состав бензина. Изооктан не входит в состав вещества, он лишь позволяет сравнить детонационную стойкость и выразить ее в числовом формате. В эталонной смеси процентное отношение изооктана к n-гептану выглядит как 100% / 0%. Корректировка значений происходит одновременно с получением результатов тестируемой жидкости – фиксированный числовой результат мы и видим в наименованиях торговых марок бензинов.

Наибольшей детонационной стойкостью обладают бензины с октановыми числами 98 и 100 (АИ-98 и АИ-100 соответственно). Более того, в продаже даже можно найти бензины, октановое число которых превышает порог в 100 пунктов – это дорогое топливо для форсированных двигателей и спорткаров. Бензин АИ-92, вопреки домыслам, не обладает наименьшей характеристикой детонационной стойкости – значение в 92 пункта является высоким и говорит и хорошем качестве нефтепродукта.

Октановое число является действующей характеристикой сопротивления детонации только для питающих бензиновые двигатели жидкостей. Для дизельного топлива влиятельным параметром является цетановое число, а октановое даже не высчитывается. Принцип работы двигателя дизельного типа основан на высокой степени сжатия, и важен период, который проходит между началом такта и моментом, когда состав воспламеняется. Этот период и характеризуется цетановым числом.

Способы повышения детонационной стойкости бензина

Добавление специальных присадок – самый действенный способ увеличить сопротивление бензинов детонации. И хотя усовершенствование технологий каталитического крекинга и риформинга, а также оборудования позволяет получить на выходе более высокооктановый продукт, чем несколько лет назад, увеличение ОЧ минимум на 5 пунктов все еще остается необходимостью.

МТБЭ и ММА – две основные присадки, быстро повышающие детонационную стойкость жидкости. Большинство изготовляемых промышленных присадок основаны на простых эфирах и замещенных ариламинах – ароматических аминах (как монометиланилин). Среди спиртов с высоким октановым числом хорошим совмещением с бензином обладают этанол и изопропиловый спирт. В последние годы отмечается высокая эффективность соединения 2-метилпропанол-1 в тандеме с антикоррозийной добавкой, что является дополнительным плюсом.

Также осуществляется синтез углеводородных соединений, имеющих слабую воспламеняемость, например алкилбензолов, и добавление этих соединений в бензины на этапе производства.

Что касается увеличения стойкости к самодетонации у уже выпущенных бензинов, то есть «в домашних условиях», то в продаже можно найти октан-корректоры, действующие по принципу блокировки процесса образования пероксидов и разрушения уже образовавшихся соединений.

Самый быстрый и дешевый способ повышения детонационной стойкости – добавление в бензины тетраэтилсвинца – запрещен во всем мире из-за его высокой токсичности, которая может приводить к летальному исходу.

Опытные водители также рекомендуют не бояться периодически гонять двигатель на высоких оборотах – во-первых, это его работа, и во-вторых, таким образом интенсифицируется процесс распада и вывода через топливные магистрали находящихся на поверхностях отложений. После такой чистки минимизируется избыточное давление на бензин во время рабочего такта.