Что происходит в камере сгорания?

Основной общепринятой характеристикой для классификации бензинов стала их способность противостоять детонации. Вообще, методов определения октанового числа бензина довольно много. Часть из них основана на испытании топлива на специальных безмоторных установках. Другие проводятся с использованием двигателей - как лабораторных одноцилиндровых, так и полноразмерных многоцилиндровых. Причем в программу испытаний входят не только стендовые замеры, но и дорожные.

Надо признать, что безмоторная методика все же не дает полной картины процессов, происходящих в камере сгорания. Поэтому более надежные результаты оценки свойств бензинов получаются при имитировании всех характерных условий возникновения детонации. Ее, в свою очередь, оценивают при помощи приборов, измеряющих мощность мотора, скорость сгорания смеси, давление и температуру в камере сгорания, появление в выхлопе специфических продуктов работы.

Самые распространенные методы оценки начала детонационных процессов – температурный, при котором измеряют температуру стенок камеры сгорания, а также метод измерения давления в ней специальными датчиками. Но нередко обходятся и без измерительных приборов. Например, так поступали при попытках определения октанового числа (ОЧ) в условиях дорожных испытаний. Один такой способ основывался на определении максимума детонации при медленном разгоне автомобиля, придерживаемого тормозом, с полностью открытым дросселем. Другой, более поздний, заключался в установлении скорости и угла опережения зажигания, на которых начиналась детонация при разгоне автомобиля, опять же с полностью открытым дросселем, на дороге с постоянным уклоном. В обоих методах детонацию определяли на слух и свойства бензина сравнивали с эталонным топливом, которое может быть самым разным – толуоловым, бензольным, ксилольным, анилиновым, этиловым …

Эталонное топливо

 

Традиционно для автомобильных бензинов эталонным топливом служит смесь изооктана, чья стойкость к детонации принята за 100, и гептана, у которого стойкость к детонации принята нулевой. По уровню содержания изооктана в этой смеси, детонирующей в одинаковой степени с испытуемым бензином, и присваивают октановое число. В абсолютном большинстве документаций, прайс-листов и рекламных вывесок значатся цифры ОЧ бензинов, полученные либо моторным, либо исследовательским методом.

В обоих этих методах склонность к детонации бензина определяется в одноцилиндровом карбюраторном двигателе с изменяемой степенью сжатия. Несмотря на то что сегодня конструкция этих лабораторных установок несколько отстает от современных двигателей, эти два метода остаются основными для определения ОЧ. Разница же между исследовательской и моторной методикой состоит лишь в режимах работы установки с диаметром поршня 85 мм и его ходом 115 мм.

Дорожные испытания показали, что ОЧ, полученное исследовательским методом (ОЧИ), свойственно детонационной стойкости бензинов при работе мотора в условиях низкой тепловой напряженности. Моторное же октановое число (ОЧМ) больше соответствует поведению бензина в нагруженных режимах работы. Иногда в документации оперируют разностью ОЧИ и ОЧМ, характеризующей чувствительность бензина, которая напрямую зависит от его химического состава.

Впрочем, ни одно из обозначений не описывает свойства бензинов полностью. Детонационная стойкость топлива зависит не только от его химического состава, но и от многих параметров работы мотора, определяемых даже типом трансмиссии. Например, возникновение детонации на малых оборотах мотора при полностью открытом дросселе точнее соответствует ОЧИ. Такой режим характерен для машин с механической КПП. Для авто с «автоматом» же полный дроссель присущ работе в зоне повышенных оборотов, поэтому детонационная стойкость бензина в этих условиях ближе к ОЧМ. Более того, фактическое октановое число (ФОЧ) - величина не постоянная. Она является функцией, значения которой с повышением оборотов снижаются. На низких оборотах коленвала ФОЧ ближе к ОЧИ, а на высоких – к ОЧМ. На инициирование детонационных процессов оказывают влияние еще и дросселирование, наддув, обороты коленвала, состав смеси, угол опережения зажигания и температурный режим.

Поиски универсальной методики определения ОЧ продолжаются. Пересмотр основ классификации привел к появлению эмпирических формул вычисления ОЧ по плотности и температурам перегонки бензинов. Причем благодаря многочисленным коэффициентам в этих формулах результат подсчета довольно точен. Другой метод основан на диэлектрической проницаемости углеводородов, зависящей от их строения, а ее взаимосвязь с октановым числом устанавливается опять же в сравнении с эталоном.

Совершенствуется и традиционная методика определения детонационной стойкости бензинов. Многорежимные лабораторные испытания с использованием двух пар эталонных топлив учитывают их разную чувствительность к режиму работы мотора. Смесь изооктан-гептан не чувствительна к смене режимов, а диизобутилен-гептан реагирует на это. Кроме получения ОЧ, на основе отработанных технологий проводят изучение детонационной характеристики двигателя на различных видах бензина. В процессе стендовых испытаний на двигателе, работающем в реальных эксплуатационных режимах, создаются условия для поиска зависимости угла опережения зажигания от числа оборотов, при которой возникает слышимая детонация. Полученные графики этой зависимости для эталонных топлив также можно использовать в качестве метода и для определения совершенства конструкции мотора.

Октановое число бензина и маркетинг
Пожалуй, большинству людей, даже тем, кто никогда не заправлял свой автомобиль самостоятельно, известно, что производитель автомобиля рекомендует эксплуатировать свою продукцию, заливая в бак топливо с определенным октановым числом. Более «продвинутые» автолюбители могут поведать, что октановое число бензинов эквивалентно соотношению в эталонном топливе октана и гептана, которое определяется разными методиками. Наиболее употребимы среди таковых – моторный метод и исследовательский.
У маркетологов сложилось устойчивое мнение о преимуществах представления продукции нефтеперерабатывающих предприятий в исследовательской нумерации. Это однозначно намекает о ведущихся на предприятии научных работах. Да и сами числа получаются выше, что, по их мнению, у любого человека вызывает ассоциацию с прогрессом в топливной сфере.
На самом деле октановые числа, определенные разными методами, не зависят друг от друга линейно. Каждая из методик дает вполне определенную информацию. Кроме того, для обозначения спортивных топлив определяют и еще одно октановое число, определяемое как среднее арифметическое между моторным и исследовательским октановыми числами.
И все же большую важность для топлив, предназначенных форсированным спортивным моторам, имеют именно октановые числа, получаемые моторным методом. Их значения лучше отражают способность бензина противостоять преждевременному воспламенению (калильному зажиганию), что в условиях спорта важнее, чем просто антидетонационные свойства.

Скорость сгорания топлива
В современном высокооборотистом моторе у топлива очень мало времени для полной реализации своей внутренней энергии. Наибольший КПД двигатель развивает, когда процесс сгорания в камере цилиндра происходит на вершине пика давления от сжатия топливного заряда поршнем, который длится в течение всего 20° поворота коленвала.

Теплотворная способность бензина
Способность бензина вырабатывать теплоту характеризуется уровнем энергии, получаемой от единицы массы этого топлива. В маркировке, встречающейся у производителей бензина, энергетическую составляющую принято обозначать в BTU – британской термической единице (British thermal unit),– равной 1054 - 1060 Дж.

Охлаждающая способность топлива
Способность топлива охлаждать рабочую камеру сгорания напрямую связана с температурой испарения бензина. Более высокая температура испарения способствует лучшему охлаждению топливо-воздушной смесью стенок цилиндра, клапанов и днища поршня. Этот показатель не принципиален для «тихоходных» моторов, но для спортивных двигателей, работающих на высоких оборотах, сулит немало выгод.

Детонация
Причина возникновения ударно-взрывного воспламенения в цилиндрах долгое время вызывала множество дискуссий ученых. Сейчас в научных кругах наиболее почитаема теория, объясняющая детонационные процессы наличием в топливе перекисных соединений. Перекисные соединения весьма нестойки и разлагаются с выделением большого количества тепла.
Появление этих веществ в бензине обусловлено окислением углеводородов кислородом воздуха, которое начинается с момента производства бензина и продолжается во время его транспортировки и хранения вплоть до сгорания в цилиндрах двигателей. Причем скорость окисления повышается с ростом температуры окружающей среды. Поэтому с течением времени октановое число бензина постепенно понижается.
В конце такта сжатия, из-за стремительно повысившейся температуры и давления, интенсивность образования перекисей ускоряется, а максимума этот процесс достигает перед самым фронтом пламени в еще не сгоревшей смеси. Последние «капли» топливного заряда в наибольшей степени предрасположены к детонационному горению, а сама детонация – процесс многоступенчатого распада перекисей не до конечных продуктов горения, а до соединений, приводящих к очаговому взрывному самовоспламенению рабочей смеси перед самым фронтом основного пламени.
При детонации продукты неполного сгорания «разбрасываются» ударными волнами по всему объему цилиндра и, перемешавшись с уже сгоревшим топливом, не успевают вступить в реакцию с кислородом, в результате мощность мотора падает. К тому же ударные волны разрушают масляную пленку с поверхностей трения, ускоряя тем самым износ цилиндров. Повышенная температура детонационного горения приводит к перегреву мотора.
Возникновению детонации способствует увеличение диаметра цилиндра, поскольку увеличивается время распространения фронта пламени от свечи до стенок камеры сгорания, ухудшается отвод тепла от еще не сгоревшей порции заряда. По той же причине детонации благоприятствует и нагар. Применение же в конструкции двигателей деталей из алюминиевых сплавов, напротив, затрудняет появление условий для детонации. На это работает и повышение оборотов коленвала, и уменьшение угла опережения зажигания, так как сокращается время для образования перекисных соединений. Но наиболее эффективное антидетонационное средство – бензин с повышенной химической стойкостью в условиях, возникающих в камере сгорания.

 

Почему запретили этилированный бензин?

Для повышения стойкости бензина к детонации в него добавляют присадки н а основе свинца, ароматических аминов, органических соединений марганца и железа или оксигенатов (кислородосодержащие химические соединения). Некоторое время назад основной присадкой, повышающей ОЧ, у всех мировых производителей бензинового топлива была смесь тетраэтилсвинца с бромистыми и хлористыми соединениями. Для некоторых деталей двигателя – например, для клапанов – наличие свинца в умеренных дозах очень даже полезно. Страдающие при этом свечи зажигания из-за своей сравнительной дешевизны не кажутся большой проблемой, особенно если речь идет о спортивных автомобилях. Но для человека свинец – яд. Поэтому сейчас использование этилированного бензина запрещено.

На смену тетраэтилсвинцу пришли недорогие в производстве железосодержащие и марганцевые присадки, у которых, впрочем, есть свои недостатки. Так, пентакарбонил железа не получил признания вследствие своей низкой химической стабильности. Дициклопентадиенил железа (ферроцен) более стоек, но применение его и его производных приводит к появлению на свечах токопроводящего нагара. Для карбюраторных двигателей выход из строя свечей зажигания ведет лишь к их частой замене. У инжекторных моторов последствия пробоя свечи могут быть куда серьезнее. Кроме этого, наличие в топливе железа повышает его коррозионную активность. В ведение в бензин ферроцена возможно только посредством промежуточного растворителя и только в смеси с антиоксидантом. Топливо с железосодержащими присадками не способно обеспечить соблюдение нормы «Евро-3».

Бензин с марганцевыми присадками (циклопентадиенилтрикарбонил марганца и метилциклопентадиенилтрикарбонил марганца) крайне нестабилен при хранении и требуетвведения в состав присадки стабилизаторов, удорожающих производство. Кроме того, с такими присадками сильно возрастает интенсивность нагарообразования на свечах, которую не ослабляет даже применение сложной смеси специальных добавок для очистки электродов свечей. Негативно сказываются марганецсодержащие присадки и на работе катализаторов.

Октан-корректоры

Широкого распространения в качестве октаноповышающих добавок не получили производные щелочных металлов, такие как литий, калий и натрий. С одной стороны, у них высокая эффективность придания топливу сопротивления детонации, скорости горения и низкая токсичность продуктов сгорания. Но с другой - отработавшие газы, содержащие продукты разложения таких присадок, негативно сказываются на работе системы выпуска. При больших концентрациях подобные вещества разрушают выпускные клапаны и детали турбин.

Самыми популярными октан-корректорами являются присадки, называемые оксигенатами. Присутствие в топливе дополнительного кислорода способствует полноте сгорания, что, кроме повышения ОЧ, отражается и на уменьшении вредных выбросов в атмосферу. Правда, для достижения поставленных целей концентрация этих веществ должна быть значительно выше, нежели у металлосодержащих добавок, поэтому оксигенаты можно считать уже не добавками, а компонентами бензинового топлива.

Наиболее широкое применение среди оксигенатов получили в качестве антидетонаторов амины и фенолы. Их не нефтяное происхождение благотворно сказывается на работе мотора и поначалу радовало экологов. Но экологическая наука не стоит на месте. Сегодня «в опалу» в некоторых странах попадает «антидетонационная классика» – метилтретбутиловый эфир (МТБЭ) – из-за его канцерогенности и способности накапливаться в почвенных водах. Эта метиловая присадка не позволят уложиться в нормы «Евро-4», поэтому ей на смену приходит этилтретбутиловый эфир (ЭТБЭ). Он дороже, но он в меньшей степени вредит окружающей среде.

12	Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: