• Гідрологія і Гідрометрія
• Господарське право
• Економіка будівництва
• Економіка природокористування
• Економічна теорія
• Земельне право
• Історія України
• Кримінально виконавче право
• Медична радіологія
• Методи аналізу
• Міжнародне приватне право
• Міжнародний маркетинг
• Основи екології
• Предмет Політологія
• Соціальне страхування
• Технічні засоби організації дорожнього руху
• Товарознавство продовольчих товарів

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: СО₂, Н₂О.

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 циліндрі 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 подальше 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 зворотних 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 полум'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 сполук: пероксидів, альдегідів, кетонів та інших. Поршень переміщується від н. м. т. до в. м. т. при закритих впускному і випускному клапанах, 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 пероксидів, 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 полум'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 CO. "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 хвиля, 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 СО₂ і Н₂О. 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, форма 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 пероксидних 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: зооктан (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 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 (таб. 18). 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.

Таблиця 18. Октанові числа бензинів

Октанові числа бензинів залежать від їх хімічного складу. Найвищі октанові числа мають ароматичні та ізопарафінові вуглеводні, найнижчі - н. парафінові вуглеводні (табл. 19).

Таблиця 19. Октанові числа вуглеводнів

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 безмежно 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 відповідного 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 октанового числа бензинів до них можна додати високооктанові компоненти в кількості до 30...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 Д+5,5 °С). Додаючи ароматичні вуглеводні (бензол, толуол, кумол, нафталін та інші (чи їх суміші), треба пам'ятати про їх високу нагароутворюючу 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.

Різні добавки, високооктанові компоненти, антидетонатори вивчались ще на початку моторобудування. Відносна ефективність різних сполук на підвищення октанового числа наведена в табл. 20.

Ефективність сполук визначалась за критичним ступенем стиснення. За 1, 0 прийнята ефективність дії бензолу.

При виборі компонентів, добавок, присадок слід враховувати їх сировинну базу, вартість, екологічні властивості, антидетонаційний ефект та ін. Наприклад, аміни як добавки дорогі, токсичні, деякі -канцерогенні.

Для одержання високооктанових бензинів знайшли промислове використання ефіри, наприклад МТБЕ - метилтретиннобутиловий 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 - метилтретаміловий ефір.

Таблиця 20. Відносна ефективність дії компонентів, добавок, антидетонаторів

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).

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.

Рис. 1. Вплив високооктанового компоненту МТБЕ та ксилідіну на зміну октанового числа (ОЧ/Д) бензинів різного хімічного складу: 1 - прямої перегонки; 2 - каталітичного крекінгу; 3 - каталітичного риформінгу жорсткого режиму; 4 - добавка ксилідіну

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 підвищеним 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 "виноси". 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 уривані ланцюгових реакцій, запобіганні накопичення пероксидних сполук.

Як антидетонатори можуть використовуватись марганцеві сполуки, наприклад, ЦТМ - циклопентадієнілтрикарбоніл марганцю та МЦТМ - метилцикпопентадієнілтрикарбоніл 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 багатьох країнах. 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 розжарювальне 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 звартістю 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 ізоалкилкарбоксилати літія ("регулятори горіння"), ароматичні аміни тощо.

Ароматичні аміни - безметалеві сполуки. Беззольні добавки на основі ароматичних амінів більш ефективні для підвищення 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 ефективністю дії цієї ж добавки в бензинах з октановим числом більш високим, тобто, чим більше в бензині н. парафінових вуглеводнів, тим вища ефективність 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 прямогонного 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 - С₆H₅NН₂ - 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, канцерогени*.

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 запалювання на

1, 5 градуса повороту колінчастого вала від оптимального кута випередження запалювання перевитрати палива збільшуються приблизно на 0,5%, а при відхиленні на 10 градусів - до 10%.

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 високооктанового бензину треба більше.

Теоретично 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.

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).

* "Канцерогенні речовини - хімічні речовини, вплив яких на організм при певних умовах викликає рак чи інші пухлини. До канцерогенних речовин відносяться такі сполуки: поліциклічні вуглеводні, азофарбники, ароматичні аміни (!), нітрозаміни та інші"... (Советский энциклопедический словарь. М.: Советская знциклопедия, 1986. - 1600 с. )

Таблиця 21. Зміна октанового числа бензинів з добавкою води

Октанове число бензину (за моторним методом) при добавці води, % об.

Рис. 2. "Правило хреста" для виготовлення суміші бензинів

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 між 80 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.

Читайте також:

1. OПТИЧНІ ВЛАСТИВОСТІ КОЛОЇДНИХ СИСТЕМ
2. А) Товар і його властивості.
3. Аеродинамічні властивості колісної машини
4. Алкани (насичені вуглеводні). Хімічні властивості алканів
5. Алкани, їх хімічні властивості.
6. Алкени. Хімічні властивості
7. Алкіни. Хімічні властивості
8. Аміни. Фізичні та хімічні властивості аліфатичних амінів.
9. Аналізатори людини та їхні властивості.
10. Аналізатори людини та їхні властивості.
11. Арифметичні дії над дійсними невід’ємними числами. Їхні властивості

Переглядів: 6104