детонаційне згоряння

На деяких режимах роботи двигуна при використанні бензину, якість якого не відповідає всім вимогам стандарту, може виникнути так зване детонационное згоряння робочої суміші або просто детонація.

Детонацією в двигуні називають процес дуже швидкого завершення згоряння в результаті самозаймання частини робочої суміші і освітньої-ня ударних хвиль, що поширюються з надзвуковою швидкістю. Зовнішні прояви детонації - це дзвінкі металеві стуки, образу-ються в результаті багаторазового відбиття ударних хвиль від стінок камер згоряння.

Детонація поставила перед вченими багато загадок. Теорію детонації, засновану на теорії ударних хвиль, побудували український фізик В.А.Міхельсон, англійський учений Д. Чепмен і французький механік Ернест Жуге. Джерелом ударної хвилі може бути вибух заряду вибухової речовини, дуже потужний електричний розряд, літак, що летить з надзвуковою швидкістю.

Різкий перепад тиску у фронті, поширюється зі сверхзву-кової швидкістю, і рух газу в ту ж сторону, куди переміщається фронт, - найбільш характерні зовнішні ознаки ударної хвилі.

Швидкість кожної з наступних хвиль вище попередньої, тому що кожна з наступних хвиль йде по рухомому газу. Крім того, швидкість звуку тим більше, чим вище температура газу. Тому швидкість кожної наступної хвилі вище швидкості звуку, з якої поширенням рюється попередня хвиля, так як вона вже стиснула і нагріла газ. Задні хвилі, наздоганяючи передні, через деякий час зіллються-виникає ударна хвиля.

Щось подібне відбувається в той час, коли люди, що знаходяться на рас-стоянні декількох кілометрів від аеродрому, іноді чують різкий удар, подібний гарматних пострілу. За ним зазвичай слідує шум злітаючого важкого реактивного літака. Цей удар виникає від злиття слабких хвиль, що з'являються при прискоренні злітаючого літака.

Якщо досить сильна ударна хвиля входить в гарячу газову суміш, то, викликаючи на своєму шляху займання газу, вона перетворюється в детонационную хвилю. Займання в детонаційної хвилі відбувається через деякий час після стиснення.

Детонація в бензиновому двигуні. У роки бурхливого розвитку авто-мобільної техніки (між двома світовими війнами) і розквіту поршневої авіації детонація була справжнім лихом для конструкторів двигунів. Економічність двигуна і його потужність сильно зростають з підвищенням ступеня стиснення (відношення початкового об'єму горючої суміші до обсягу після стиснення її поршнем). Потужність збільшується, а питома вага (вага двигуна на одну кінську силу) падає з підвищенням початкової щільності суміші і з збільшенням розмірів камери згоряння і циліндра.

Але на кожному з цих дуже ефективних шляхів удосконалення двигуна виростало перешкоду у вигляді "стуку" - детонації. Боротьба з детонацією в ті роки була завданням номер один науки про горіння в двига-телях.

У міру вигоряння суміші тиск в камері підвищується, ще не згор-застарілих частина суміші стискається і тому сильно нагрівається. У ній, ес-тественно, починаються хімічні реакції, що тривають тим довше і успішних пройти тим глибше, чим довший горіння в першій і другій фазах (поблизу свічки і в середині камери). Ці реакції, активуючи суміш, можуть викликати більш-менш швидке згоряння останньої частини заряду, що приводить до появи ударної хвилі, що виробляє стукіт. Ударна хвиля, відбиваючись багаторазово від стінок камери, збільшує тепловіддачу в стінки і створює перегрів окремих частин двигуна. Досягнувши помітною сили, вона може викликати і механічні пошкодження, які виведуть двигун з ладу.

Ударна хвиля і відповідно стукіт тим сильніше, чим більший обсяг суміші охоплюють попередні реакції і чим далі вони заходять. Тепер зрозуміло, чому збільшення розмірів камери, збільшення випередження згоряння, що подовжують згоряння і залишають більше часу для хімічних реакцій, сприяють виникненню стуку. Сприяє цьому і підвищення ступеня стиснення і початкової пло-тності суміші (наддув і посилення подачі газу натиском на акселератор), оскільки вони збільшують температуру і щільність останньої частини заряду і прискорюють цим попередні реакції. Так як швидкість реакції сильно залежить від температури, підвищення ступеня стиснення особливо сприяє появі стуку.

Шляхи підвищення детонаційної стійкості бензинів. Ще до возникно-нення промисловості антидетонаційних палив Т. Міджлі і Т. Бойд (США), що випробували тисячі різних речовин, знайшли в 1921 р добавку до палива, сильно переважна детонацію. Це був відомий з середини минулого століття як хімічна сполука тетраетилсвинець (ТЕС) Pb (C2 H5) 4. залишився і до останніх років найефективнішою антідетона-ної добавкою.

Відкриття антидетонаційних властивостей цієї речовини зіграло дуже велику роль в підвищенні економічності бензинових двигунів і в розширенні паливних ресурсів для них.

Виникнення детонації в двигуні залежить від хімічного складу застосовуваного палива. Якщо використовують бензин, в складі якого преоб-ладают вуглеводні, що не дають при високих температурах значних кількостей активних проміжних з'єднань і мають великий пери-од затримки самозаймання, то в останніх працях суміші не відбувається із-дит самозаймання і згоряння закінчується нормально без детонації. Якщо в останніх працях суміші накопичується багато активних з'єднань-ний, можливо самозаймання з виникненням детонації.

Стійкість вуглеводнів до хімічних змін в паровій фазі в умовах камери згоряння двигуна називають детонаційної стійкістю.

Вуглеводні, що входять до складу бензинів, різняться по детонаційної стійкості. Найменшою детонаційної стійкістю володіють н-алкани. Зі збільшенням числа вуглецевих атомів в ланцюгу н-алканів їх детонаційна стійкість погіршується. Перехід від нормальної до ізомерної структурі зав-жди супроводжується покращенням антидетонаційних властивостей алканів.

Олефіни мають більш високі антидетонаційні властивості, ніж н-ал-кани з тим же числом атомів вуглецю.

Детонаційна стійкість нафтенових вуглеводнів вище, ніж у н-ал-канов, але нижче, ніж у ароматичних вуглеводнів з тим же числом ато-мов вуглецю в молекулі.

Ароматичні вуглеводні мають високу детонаційної стій-кістю, і, на відміну від інших вуглеводнів, їх детонаційна стійкість зі збільшенням числа вуглецевих атомів в молекулі не знижується. Змен-шення довжини бічного ланцюга і підвищення її розгалуженості покращує детонационную стійкість ароматичних вуглеводнів.

Октанове число. Мірою детонаційної стійкості бензинів є їх октанове число. Октанове число чисельно дорівнює змісту изооктана (вираженого в%) в еталонної суміші з гептаном, яка по детонаційної стійкості еквівалентна випробуваному бензину.

Висока детонаційна стійкість товарних бензинів досягається трьома основними способами. Перший - використання в якості базових бен-Зиновій найбільш високооктанових вторинних продуктів переробки нафти або збільшення їх частки в товарних бензинах. Другий спосіб предусмат-ривает широке використання високооктанових компонентів, залучаючи-ваних в товарні бензини. Третій шлях полягає в застосуванні антідетона-ційних присадок. В даний час широко використовують всі три направ-лення підвищення детонаційної стійкості бензинів.

Бензини прямої перегонки сірчистих нафт з температурою кінця кипіння 180-200 0 С містять 60-80% алканів і мають ОЧ в межах 40-50.

Бензини прямої перегонки і їх головні фракції використовують в не-великому обсязі для приготування автомобільного бензину А-76.

Октанові числа бензинів термічного крекінгу знаходяться в межах 64-70 в залежності від якості сировини і температурного режиму крекінгу.

Бензини, отримані каталітичним крекингом. мають більш високу детонаційну стійкість, ніж бензини термічного крекінгу. Це обумовлено, головним чином, збільшенням вмісту в бензинових фрак-ціях ізоалканов і ароматичних вуглеводнів.

Бензини каталітичного крекінгу часто використовують як базові для приготування товарних високооктанових бензинів.

В процесі каталітичного риформінгу отримують бензини з високою детонаційної стійкістю за рахунок ароматизації і часткової ізомеризується-ції вуглеводнів. Сировиною для каталітичного риформінгу є, в основному, прямогонний бензин і рідше дистиляти вторинного походження, наприклад, бензин термічного крекінгу, коксування і гідрокрекінгу. Ці фракції зазвичай містять високі концентрації парафінів і нафтенов. В процесі каталітичного риформінгу багато з цих компонентів перетворюються в ароматичні сполуки, які мають набагато більш високі октанові числа.

Основний реакцією в процесі каталітичного риформінгу є дегидроциклизация.

При дегидроциклизации парафінів в присутності хромосодержащего каталізатора при температурах вище 450 0 С отримують високі виходи ароматичних вуглеводнів, причому ефективність каталізатора значно поліпшується, якщо застосовувати його не в чистому вигляді, а на носіях і в присутності деяких добавок.

Процес називається платформингом, якщо онпротекает в присутності платинового каталізатора. У цьому процесі (по одному з механізмів) алкан, наприклад гексан з ОЧ, близьким до нуля, ціклізуется в циклогексан, який дегидрирующей з утворенням відповідного арена - бензолу з ОЧ> 100:

На відміну від процесів, які ми обговорювали досі, в процесі каталітичного риформінгу температури кипіння речовин змінюються дуже незначно. Зміна стосується, в основному, хімічного складу.

Бензини платформинга широко використовують в якості базових при виготовленні товарних високооктанових бензинів, причому не тільки дистилят платформинга, але і його окремі фракції, що залишилися після вилучення індивідуальних ароматичних вуглеводнів.