Октановое число

Октановое число представляет собой характеристику топлива, которая указывает на степень сжатия, которую способно выдержать топливо до его взрыва. Чем выше октановое число, тем выше предполагаемая степень сжатия без воспламенения.

Зависимость степенисжатия от октанового числа и  детонация двигателя

Топливо с высокими октановыми числами используется преимущественно в высокоэффективных многопоршневых  бензиновых двигателях, которым необходимы более высокие степени сжатия. Топливо с более низким октановым числом напротив применяется для использования в дизельных двигателях, так как дизельные двигатели (также называемые двигателями с воспламенением от сжатия) не сжимают топливо, а сжимают только воздух, а затем впрыскивают топливо в воздух, который нагревается за счет сжатия.  Бензиновые двигатели основаны на воспламенении топлива и воздуха сжатых вместе в виде смеси и воспламеняется ближе к концу такта сжатия с помощью электрически активируемых свечей зажигания. Именно по-этому высокая сжимаемость топлива имеет значение в основном для бензиновых двигателей.

Использование бензина с более низким октановым числом чем необходимо для конкретного типа автомобиля может приводить к детонации двигателя. Рекомендуемое октановое число для данного типа автомобиля обычно указывается автопроизводителем на крышке закрывающей заправочную горловину(с обратной стороны). Так же детонацию двигателя могут вызывать плохо работающие свечи зажигания или топливные форсунки. При этом свечи не успевают воспламенить топливо-воздушную смесь или она слишком переобогащена(слишком много топлива), а она взрывается посредством силы сжатия. Т.е. весь смысл детонации бензинового двигателя заключается в том что топливная смесь зажигается раньше положенного времени. Современные автомобили для регулирования зажигания топливной смеси в двигателе используют датчики детонации вместе с блоками управления двигателем.

 От чего зависит октановое число топлива

Для того чтобы понять от чего зависит октановое число топлива необходимо начать с состава топлива. Типичными компонентами бензина является представители семейства углеводородов (химические соединения углерода C и водорода H) под названием октаны(название семейства). Они представляют собой  бесцветные жидкости с температурой кипения около 125 ° C. Одним из членов октанового семейства является изооктан, который используется в качестве эталона для определения способности бензина или сжиженного нефтяного газа сопротивляться самовоспламенению.

Октановое число бензина измеряется на испытательном эталонном двигателе, который сравнивает его со смесью изооктана(2,2,4-триметилпентана) и гептана по антидетонационным способностям. Процент содержания изооктана от общего объема в топливной смеси будет показывать его октановое число. Тут есть один маленький нюанс. Если у бензина октановое число равняется 92, это не означает что бензин состоит из 92% изооктана и 8% гептана. Это означает, что данное топливо имеет такие же противодетонационные характеристики как и смесь изооктана и гептана в соответствующих пропорциях. Например, бензин с такими же детонационными характеристиками, как смесь 90% изооктана и 10% гептана, будет иметь октановое число 90. Максимальное значение октанового числа (эквивалент чистого изооктана) равно 100. Из-за крайне низкой детонационной стойкости n-гептана чистый гептан принят за минимум с октановым числом, равным 0.

Октановое число и энергоемкость топлива

В народе бытует мнение, что чем выше октановое число топлива, тем это топливо содержит в себе больше энергии и оно может повышать производительность автомобильного двигателя. Именно по-этому если на крышке запирания топливнозаливной горловины есть надписи рекомендуемого топлива АИ-92 и АИ-95 некоторые водители заливают именно АИ-95 ошибочно считая, что это повышает производительность двигателя их автомобиля. Это мнение совершенно неверно и сейчас разберемся почему.

Стоит начать с того, что октановое число показывает именно способность топлива предотвратить детонацию двигателя(преждевременный взрыв топлива в цилиндре из-за силы сжатия). Октановое число не является показателем энергоемкости топлива. Энергоемкость топлива характеризуется таким понятием как удельная теплота сгорания топлива, которая представляет собой физическую величину показывающую какое количество теплоты(энергии) выделяется при полном сгорании 1 кг испытываемого топлива. При всем этом, когда октановое число повышают с помощью этанола удельная теплота сгорания топлива понижается. Это можно отследить в одноименных таблицах. Для справки удельная теплота сгорания бензина А-72 и АИ-93 по ГОСТ 2084-67 равны 44.2МДж/кг и 43.6МДж/кг соответственно. Из вышесказанного следует: чем выше октановое число, тем ниже энергоемкость. Это так же означает, что производительность автомобильного двигателя будет находиться на самом оптимальном уровне, когда будет использоваться топливо с самым низким октановым числом, которое можно использовать без детонации.

Разновидности и методы определения октанового числа

 

Октановое число топлива является понятием относительным, так как в разных странах определяют его по разным методикам, но у этих методик есть общая черта. Они определяют октановое число на эталонном двигателе, различием являются только условия при испытании топлива. Различают три разновидности октанового числа в зависимости от метода испытания топлива:

1. Октановое число по исследованиям(RON);
2. Октановое число двигателя(MON);
3. Антидетонационный индекс (AKI) или (R + M) / 2.

Октановое число по исследованиям (RON) является самым распространенным методом измерения октанового числа в мире. При этом методе топливо испытывается в одноцилиндровом двигателе с переменной степенью сжатия в контролируемых условиях при частоте вращения 600 об/мин. Затем полученные значения сравнивают со значениями полученными при испытании смеси изооктана и n-гептана. Степень сжатия варьируется во время испытания, чтобы проверить антидетонационные способности топлива, поскольку увеличение степени сжатия увеличивает вероятность детонации.

Октановое число двигателя (MON) определяется таким же способом как и октановое число по исследованиям (RON). Единственными отличиями являются количество оборотов в минуту коленчатого вала эталонного двигателя, температура смеси и изменяемая синхронизация зажигания. Количество оборотов коленчатого вала в минуту при определении октанового числа двигателя (MON) составляет 900 оборотов в минуту. Топливо при испытаниях (MON) предварительно разогревается, а изменяемая синхронизация зажигания необходима для увеличения детонационной нагрузки на топливо. В зависимости от состава топлива при измерении октанового числа с помощью метода MON результат получается на 8 — 12 единиц ниже, чем при испытаниях по методу RON, но прямой связи между октановым числом двигателя и октановым числом по исследованиям нет.

Антидетонационный индекс (AKI) представляет собой испытание при котором изначально проводятся оба вышеперечисленных испытания(RON и MON), затем рассчитывается среднее арифметическое между этими двумя испытаниями. Таким образом формула расчета антидетонационного индекса будет следующая:

AKI = (RON + MON)/2

Такой метод расчета октанового числа в современном мире не очень распространен, но он применяется в таких странах как Бразилия, США, Канада и др. На территории современной Европы наибольшей популярностью пользуется метод RON.

 Испытания RdON и теоретический расчет октанового числа

Испытания на детонационную стойкость топлива проводятся на стендах с одноцилиндровыми двигателями из раздела выше. Существует еще один способ определения стойкости топлива к детонации, который был разработан еще в 1920-х годах. Этот способ представляет собой испытания октанового числа топлива в реальном многоцилиндровом двигателе на реальгой дороге. Результат испытания октанового числа топлива реальным двигателем на дороге принято называть наблюдаемым октановым числом дороги (RdON).

Наблюдаемое октановое число дороги до сих пор является актуальным в некоторых случаях, но сегодня с развитием технологий испытание топлива на двигателях и стендах является достаточно дорогостоящими удовольствиями. Сейчас специалисты крупных заводов используют экспресс методы определения октанового числа бензина при его производстве с помощью моделирования.  Технологии моделирования октанового числа бывают разными, но одним из самых распространенных является метод аддитивности. Смысл его достаточно прост: Бензин(как и любое топливо) состоит из начального сырья и примесей в разном процентном соотношении, и октановое число бензина будет рассчитываться по формуле которая суммирует октановые числа всех компонентов в отдельности в зависимости от их процентного содержания.  Формула расчета октанового числа будет выглядеть приблизительно так:

ОЧ – октановое число;
v_i – объемная доля компонентов в смеси;
ОЧ_i — октановое число компонента смеси.

Как правило, октановые числа всех возможных компонентов смеси известны. То есть при производстве бензина необходимо провести его химический анализ и по формуле рассчитать октановое число. Этот метод расчета октанового числа является одним из многих, но самый простой для понимания.

 Методы повышения октанового числа

Развитие технологий производства бензинов в первую очередь связано с оптимизацией детонационной стойкости, так как оно является основным эксплуатационным свойством топлива. То есть простыми словами ученые разрабатывают методики повышения октанового числа при снижения стоимости его производства. В основном, товарные марки бензинов производятся путем смешения различного рода компонентов. Детонационная стойкость топлива при этом повышается путем добавления присадок и добавок, или же без их использования. Основных методов, которые используются для повышения октанового числа бензина всего два:

1. Метод электрофизической модификации прямогонных бензинов;
2. Метод повышения октанового числа введением оксигенатов;

Метод электрофизической модификации прямогонных бензинов был разработан украинскими учеными и осуществляется в повышении октанового числа бензина без применения различного рода добавок и присадок. В основе технологии повышения октанового числа лежит образование в топливе кислородосодержащих составляющих под воздействием фотохимического окисления и комплекса электрофизических воздействий. Образуемые в результате протекающих физико-химических реакций свободные радикалы реагируют с находящимися в бензине алканами и окисляют углеводороды. В результате применения этого метода возможно повышение октанового числа на 10 — 20 единиц.

Метод повышения октанового числа введением оксигенатов, которые представляют собой кислородосодержащие компоненты топлива(спирты, эфиры) пользуется популярностью как при производстве топлива, так и при эксплуатации конечным потребителем. Грубо говоря, этот метод основан на применении различного рода присадок. В качестве оксигенатов(присадок) выступают бензин-метанол, этанол, трет-бутил, метил-трет-бутиловый эфир, диизоприпиловый эфир и третамиловый эфир. К осровным характеристикам, которым должны соответствовать добавки относятся высокое октановое число смешивания, низкую летучесть и низкую фотохимическую активность. Так же необходимо учитывать, что количество кислорода в химическом составе бензина не должно превышать 2,7%.