Групповым химическим составом топлива называют содержание в нем углеводородов определенных химических групп, характеризуемых количественным соотношением и структурой химического соединения атомов углерода и водорода. Например, насыщенные углеводороды (алканы) имеют в структуре молекулы одинарные связи атомов углерода, при высоких температурах легко распадаются и окисляются, образуя химически неустойчивые органические соединения склонные к дальнейшему окислению (гидроперекиси ROOH).
Такие топлива с высоким содержанием насыщенных углеводородов склонны к сильной детонации.
Ненасыщенные углеводороды, к которым относятся цикланы и ароматики, имеют кольцевую структуру молекулы, состоящею из атомов углерода, соединенных между собой одинарными и двойными связями, обладают более высокой термической стабильностью, соответственно обладают высокой устойчивостью в отношении детонации. Чем более компактна молекула углеводорода, тем выше её термическая стабильность, тем выше её детонационная стойкость.
Наивысшей детонационной стойкостью обладают углеводороды ароматического ряда с бензольным ядром молекулы. Присутствие в бензине углеводородов ароматическою ряда желательно, топливо в этом случае обладает высокой детонационной стойкостью и можно без опасности детонации значительно повысить степень сжатия. Количество ароматических углеводородов в бензине можно повысить применением реакции ароматизации за счет технологического процесса переработки бензина - каталитического риформига. Детонационную стойкость бензинов оценивают октановым числом, которое определяется на специальном одноцилиндровом двигателе при строго определенных условиях испытаний (моторный и исследовательский методы испытаний).
Октановым числом (ОЧ) называется процентное по объему содержание изооктана C8Н18 в смеси с нормальным гептаном С7Н16, составляющим эталонное топливо, которое имеет такую же склонность к детонации, как и исследуемое топливо. Изооктан относится к трудно детонируемому топливу, его детонационную стойкость условно принимают равной ОЧ=100.
Нормальный гектан очень легко детонирует, его детонационную стойкость условно принимают равной нулю (ОЧ=0). Изменяя содержание этих компонентов в эталонном топливе, можно изменять его детонационную стойкость в диапазоне от 0 до 100. Если исследуемое топливо (бензин) детонирует точно так же, как и эталонное топливо, составленное из 76% изооктана и 24% нормального гептана то октановое число бензина принимается равным ОЧ=76 (бензин А-76). Чем выше ОЧ используемого топлива тем при прочих равных условиях менее вероятно возникновение детонационного сгорания.
Повышение детонационной стойкости бензина может быть обеспечено введением высокооктановых углеводородных добавок в исходное топливо, таких, как эфиры, спирты, изооктан, толуол и другие вещества в количестве до 40%, что, однако, удорожает топливо.
Для повышения октанового числа исходного топлива чаще всего в него вводятся специальные вещества - антидетонаторы.
В качестве антидетонаторов можно использовать металлоорганические соединения различных металлов: свинец Pb, марганец Mn, железо Fe и др. При повышении температуры в цилиндре двигателя эти соединения распадаются с образованием свободных атомов металла:
Свободный, химически активный металл вступает в реакцию с термически неустойчивыми органическими соединениями, препятствуя образованию гидроперекисей, а также с уже образовавшимися перекисями, вызывая их разрушение. Химическая реакция идет по схеме
результатом которой является окисел металла.
Для удаления образующихся окислов металла и, цилиндра двигателя применяются специальные вещества, добавляемые к антидетонатору. Эти вещества при сгорании в цилиндре образуют с металлом летучие соединения, более полно удаляемые с отработавшими газами. Такие вещества-выносители разработаны для свинца и марганца.
Наиболее распространенным антидетонатором является тетра-этил-свинец (ТЭС), Pb(C2Н5)4. В качестве выносителя для ТЭС используют бромистый этил С2Н5Br, который в цилиндре двигателя распадается на углеводород С2Н4 и HBr. Реакция, обеспечивающая вынос свинца и его окислов из цилиндра, идет по схеме:
Образующееся вещество PbBr, облагает низкой температурой кипения (≈500°С) и в парообразном состоянии выносится из цилиндра вместе с отработавшими газами. Однако применение выносителя не обеспечивает полного удаления свинца из камеры сгорания, вследствие чего в цилиндре наблюдается повышенное нагарообразование.
Раствор тетраэтилсвинца в бромистом этиле называют этиловой жидкостью (содержание ТЭС 55-60%), а бензин с добавками этиловой жидкости называют этилированным. Количество этиловой жидкости, добавляемой в автомобильные бензины, не превышает 0,8 гр на 1 кг бензина.
Для высокооктановых ароматизированных топлив в качестве антидетонатора используют тетраметилсвинец (ТМС), Pb(СН3)4, обладающий по сравнению с ТЭС большей термической устойчивостью, применяется в топливах, содержащих более 30% ароматических углеводородов.
Из других видов антидетонаторов наиболее перспективными являются металлоорганические соединения на основе марганца, С5Н5Mn(СО)3, С6Н7Mn(СО)3. Однако антидетонаторы на основе марганца склонны к повышенному нагарообразованию в камере сгорания, к интенсивному калильному зажиганию от тлеющих частиц нагара. Эти антидетонаторы не получили в настоящее время широкого распространения. Этилированные бензины очень токсичны, поэтому их применение повсеместно запрещено.
Для исключения содержания в топливе токсичных антидетонаторов возможно применение высокооктановых углеводородных газов (например, метана СН4) в сочетании с низкооктановым неэтилированным бензином, которые добавляются к жидкому топливу при работе карбюраторного двигателя на полных нагрузках.
Газообразные топлива имеют более высокую детонационную стойкость (ОЧ=100-110), чем бензин, что позволяет значительно повысить степень сжатия двигателя без опасности детонационного сгорания.
При определении октановых чисел высокооктановых топлив, превышающих ОЧ≥100 единиц, в качестве эталонного топлива применяется изооктан с добавками антидетонатора ТЭС. Добавка ТЭС в количестве 0,35 гр на 1 кг изооктана повышает октановое число эталонного топлива до ОЧ=110 единиц.
Для каждого двигателя с искровым зажиганием максимальные мощность и экономичность достигаются при использовании топлива с октановым числом, предельно близким к порогу появления детонации. Благодаря развитию в несгоревшей части свежего заряда интенсивных предпламенных реакций и появления очагов с продуктами неполного окисления, еще не вызывающих появление детонационного сгорания, но способствующих более быстрому завершению сгорания в конце основной фазы, что и приводит к повышению энергоэкономических параметров двигателя с искровым зажиганием.
Если же октановое число применяемого топлива избыточно для данного двигателя, го процесс сгорания в нем идет с замедленной скоростью, смещается на такт расширения. Это можно объяснить тем, что в процессе сжатия с невысокой степенью сжатия для данного вида топлива недостаточно высока температура свежего заряда перед подачей искры. Предпламенные химические реакции, связанные с частичным окислением и появлением в массе свежего заряда химически активных частиц неполного окисления, в термически устойчивом топливе идут недостаточно интенсивно. Поэтому после подачи электрической искры затягивается по времени процесс формирования очага воспламенения, а в дальнейшем уменьшается скорость распространения фронта пламени по объему камеры сгорания.
Следствием сгорания на такте расширения является снижение мощности и топливной экономичности, повышение концентрации продуктов неполного сгорания в отработавших газах Из-за увеличенной теплоотдачи в систему охлаждения наблюдается перегрев двигателя, из-за увеличенной температуры отработавших газов возможен прогар выпускных клапанов, большие потери теплоты с отработавшими газами, экономичность двигателя и мощность уменьшаются.
Для уменьшения токсичности отработавших газов карбюраторных двигателей в выпускном тракте двигателя устанавливают каталитические нейтрализаторы, которые в присутствии катализатора дожигают продукты неполного сгорания топлива (CH, СО, С и др.). В случае применения этилированного бензина продукты сгорания ТЭС, контактируя с катализатором, выводят его из строя, вследствие чего применение на двигателях, оборудованных нейтрализатором, этилированного бензина недопустимо.
Комментарии посетителей