ТРЕБОВАНИЯ ДВИГАТЕЛЕЙ К ДЕТОНАЦИОННОЙ СТОЙКОСТИ БЕНЗИНОВ

Требования автомобильного двигателя к детонационной стойкости применяемых бензинов ОЧт определяется комплексом его конструктивных особенностей, среди которых наибольшее значение имеют степень сжатия и диаметр цилиндра. Между этими тремя показателями установлена [11, , ] следующая эмпирическая зависимость

ОЧ_т = 125,4 - 413/e + 0,183d

 

Развитие автомобильного двигателестроения связано с неуклонным увеличением степени сжатия. Эта тенденция является главной в совершенствовании конструкции автомобильных бензиновых двигателей, так как позволяет улучшать их технико-экономические и эксплуатационные показатели.   Увеличение  степени сжатия одновременно улучшает два основных показателя (Рисунок 10) - увеличивает литровую мощность 1 и снижает расход бензина 2.

 

Рисунок 10 . Влияние степени сжатияна расход топлива и литровую мощность двигателя:1 — литровая мощность, л  с/л, 2 — расход топлива, л/100 км

 

Таблица 2. Развитие автомобильных двигателей «Москвич» [1]

Марка двигателя	Е	Удельные мощностные- показатели		ОЧММ рекомендуе- мого бензина
		N*ло	Р**mах
«Москвич-400»	6, 0	5, 72	5, 95	66
«Москвич-402»	6, 7	6, 55	7, 45	72
«Москвич-407»	7, 0	7, 71	8, 50	72
«Москвич-408»	7, 5	8, 57	9, 32	76
«Москвич-412»	8, 2	9, 18	9, 69	85***

 

*       Литр-оборотная мощность, л с /л при 1000         об/мин.

**     Наибольшее среднее эффективное давление,      кГ/см2

***   Бензин АИ-93.

 

В Таблица 2 представлены данные о развитии автомобильных двигателей Московского автомобильного завода имени Ленинского комсомола. Повышение степени сжатия сопровождалось улучшением мощностных показателей при одновременном увеличении требований к детонационной стойкости применяемых бензинов.

Таким образом, развитие конструкций и совершенствование автомобильных двигателей сопровождается увеличением требований к детонационной стойкости применяемых бензинов. Развитие нефтеперерабатывающей промышленности также направлено на улучшение антидетонационных качеств автомобильных бензинов. Однако повышение октановых чисел вырабатываемых бензинов связано с необходимостью введения сложных и дорогостоящих технологических процессов и, следовательно, с увеличением капиталовложений и себестоимости бензина. Современные технологические процессы, направленные на повышение детонационной стойкости (риформинг, изомеризация, алкилирование и др.), не сопровождаются увеличением выхода бензина из нефти и поэтому затраты на эти процессы должны окупаться экономией от использования более высокооктановых бензинов в двигателях с повышенной степенью сжатия. В связи с этим обеспечение наиболее полного и эффективного использования автомобильных бензинов при максимальном соответствии между требованиями двигателей и антидетонационными качествами применяемых бензинов является важнейшей народнохозяйственной задачей. Для ее решения необходимо, с одной стороны, детальное изучение требований двигателей к детонационной стойкости бензинов [ , ]
и изменений этих требований в различных условиях эксплуатации, а с другой, —знание фактической детонационной стойкости бензинов в различных условиях применения.

Задача обеспечения полного соответствия между требованиями двигателей и фактической детонационной стойкостью применяемых бензинов приобретает особенно большое значение в последние годы при использовании высокооктановых бензинов в связи с тем, что
стоимость каждой октановой единицы резко возрастает с повышением общего уровня детонационной стойкости бензинов.

В настоящее время в нашей стране требования автомобильных двигателей к детонационной стойкости бензинов определяют по ГОСТ 10373—85, т. е. по тому же стандарту, по которому определяют фактические октановые числа бензинов. Сущность метода состоит в том, что находят зависимости изменения мощности или удельного расхода топлива от угла опережения зажигания на ряде скоростных режимов при полном открытии дроссельной заслонки. Также определяют углы опережения зажигания, вызывающие начало слышимой детонации смесей эталонных топлив с различными октановыми числами при работе на разных оборотах. По результатам испытаний определяют антидетонационные требования двигателя на разных оборотах, соответствующие октановому числу эталонной смеси, обеспечивающему получение наибольшей мощности и наименьшего удельного расхода топлива при работе двигателя на начале слышимой детонации [29]. В Таблица 3 представлены результаты определения требований отечественных автомобильных двигателей к детонационной стойкости бензинов.

Таблица 3 . Требования отечественных автомобильных двигателей к детонационной стойкости бензинов [1]

 

n,об/мин	Показатель	ЗАЗ-966	Москвич 408	ГАЗ-21	ГАЗ-53	ЗИЛ-130	ЗИЛ-375
1000	θ °ПКВ	24	30	30	30	34	32
	ОЧ т	87, 0	83, 0	82, 0	80, 0	86, 0	82, 0
1500	θ °ПКВ	26	34	33	35	36	34
	ОЧ т	85, 0	82, 0	79, 0	80, 0	82, 5	79, 0
2000	θ °ПКВ	29	38	35	38	38	36
	ОЧ т	82, 5	81, 0	75, 5	75, 0	78, 5	76, 0
2500	θ °ПКВ	32	41	37	41	39	38
	ОЧ т	80, 0	80, 0	71, 0	73, 0	73, 5	72, 0
3000	θ °ПКВ	37	44	41	46	41	39
	ОЧ т	77, 0	79, 0	65, 0	69, 0	68, 5	68, 5
3500	θ °ПКВ	42	47	45	—	—	—
	ОЧ т	74, 0	75, 5	59, 0	—	—	—
4000	θ °ПКВ	44	48	51	—	—	—
	ОЧ т	70, 5	71, 0	52, 0	—	—	—

 

Приведенные данные убедительно свидетельствуют о том, что потребность в высокооктановом бензине возникает лишь на ограниченном диапазоне режимов работы двигателя. На остальных режимах вполне возможно использование низкооктановых и потому более дешевых топлив. Поэтому сделан ряд попыток раздельного питания двигателя на режимах полных и частичных нагрузок путем применения двойной системы питания или впрыска антидетонационных или охлаждающих жидкостей на режиме полных нагрузок. Эти методы не получили широкого практического применения ввиду значительного усложнения систем питания и снижения их надежности.

Стремление к более полному использованию детонационной стойкости топлива и улучшению топливной экономичности двигателей на частичных нагрузках привело к созданию ряда конструкций двигателей с переменной степенью сжатия [ ]. Предлагаемые конструкции предусматривают увеличение степени сжатия двигателя при работе на частичных нагрузках, когда это не лимитируется детонацией. К сожалению, конструктивные усложнения, вводимые в двигателях с переменной степенью сжатия, пока столь велики, что они не компенсируются получаемыми преимуществами.

При рассмотрении результатов оценки антидетонационных требований двигателей (см. табл. 17) можно заметить, что октановые числа рекомендуемых и фактически применяемых на двигателях бензинов значительно ниже тех, которые требуются на некоторых режимах. Это объясняется следующими обстоятельствами. Наиболее высокие антидетонационные качества бензина требуются двигателю при работе на некоторых режимах со 100%-ной отдачей мощности. Замечено, что если на этих режимах несколько уменьшить угол опережения зажигания по сравнению с оптимальным, то антидетонационные требования двигателя снижаются довольно резко при относительно небольшом уменьшении мощностных показателей. В результате испытаний было обнаружено, что установка позднего опережения зажигания, вызывающего уменьшение мощности более чем на 5%, приводит к перегреву выпускной системы и снижению устойчивости работы двигателя, поэтому величина 5%-ного уменьшения мощности может быть принята в качестве оценочной для определения допустимого снижения антидетонационных требований двигателей. Полученные таким образом значения октановых чисел бензинов, необходимые для работы двигателя с уменьшением мощности до 5%, могут быть условно названы минимально допустимыми. Автоматы опережения зажигания устанавливаются на заводе так, чтобы обеспечить использование бензинов с минимально допустимыми октановыми числами.

Д. М. Ароновым [1] проведено определение минимально допустимых октановых чисел для ряда отечественных двигателей (табл. 18) и найдена зависимость допустимого снижения октановых чисел дельта ОЧ от уровня исходных требований ОЧ_т:

ΔОЧ = 46, 6 — 0, 415 (ОЧ_т)

Эта зависимость свидетельствует о том, что допустимое снижение октановых чисел за счет установки более позднего опережения зажигания уменьшается при увеличении исходных требований. Иными словами, с повышением общего уровня антидетонационных требований (см. Таблица 4) снижаются допустимые отклонения в октановых числах применяемых топлив. Такое весьма важное обстоятельство следует иметь в виду при разработке новых двигателей.

Таблица 4 . Снижение антидетонационных требований к топливу

при ухудшении показателей работы двигателей на 5% [1]

 

Двигатель	ОЧт	ΔОЧ	Минимально допустимые ОЧ
ГАЗ-20, ГАЗ-51, ЗИЛ. 164	70—78	15	55—63
ГАЗ-21, «Москвич-407»	82—84	12	70—72
ЗАЗ-966, ЗИЛ-130	86—87	10	76—77

Требования двигателя определяются с помощью первичных эталонов — смеси изооктана и гептана. Октановое число этой смеси определяется содержанием изооктана и не зависит от условий испытаний и режима работы двигателя. Однако исследование антидетонационных свойств автомобильных бензинов на одноцилиндровых установках и на полноразмерных двигателях при различных режимах работы показало, что бензины, различающиеся по углеводородному составу, по-разному реагируют на  зменение режима испытаний и, соответственно, их антидетонационные свойства зависят от режима работы двигателя. Выше уже отмечалось, что октановые числа бензинов, определенные на различных режимах (исследовательский и моторный методы), могут различаться на 10—15 пунктов, т. е.
бензины обладают различной "чувствительностью» к режиму работы двигателя. Для количественной оценки чувствительности топлив пользуются разностью октановых чисел, определенных исследовательским и моторным методами.

При использовании чувствительного бензина в двигателе его фактическая детонационная стойкость может быть ближе к октановому числу, определенному по исследовательскому или моторному методу.
Характер оценки бензина в этом случае зависит от жесткости режима работы двигателя. Под жесткостью режима здесь понимается не один какой-либо параметр, а совокупность ряда параметров, влияющих на оценку антидетонационных свойств [ ].

Для количественной оценки предложено [44] условно детонационную жесткость автомобильного двигателя выражать через детонационную жесткость режима работы по исследовательскому и моторному методам. Величина детонационной жесткости двигателя на данном режиме Ж определяется по формуле

Ж= [(ОЧИМ-ФОЧ)/( ОЧИМ — ОЧММ)]*10

где ОЧИМ, ОЧММ и ФОЧ — соответствующие октановые характеристики чувствительного топлива.

Детонационная жесткость моторного метода условно принята равной 10 единицам, а исследовательского — нулю. Таким образом, в двигателе с детонационной жесткостью, равной 10, фактические октановые числа бензинов будут равны ОЧММ, а при жесткости, равной 0, — ОЧИМ. Если жесткость режима двигателя больше 10, то фактические октановые числа бензинов будут на этом режиме меньше их ОЧММ, а если жесткость меньше 0, то фактические октановые числа будут больше, чем их ОЧИМ.

Для полной характеристики двигателя определяются его детонационная жесткость на нескольких оптимальных режимах работы с использованием чувствительных эталонных топлив (смеси диизобутилена с н-гептаном). На Рисунок 11 представлены результаты определения детонационной жесткости для ряда отечественных двигателей легковых и грузовых автомобилей.

Исследования показали, что с увеличением числа оборотов жесткость двигателей возрастает (Рисунок 12). Увеличение степени сжатия вызывает снижение жесткости, а увеличение температуры воздуха приводит к незначительному ее повышению [44].

 

Рисунок 11 .  Характеристика детонационной жесткости двигателей; а — легковых автомобилей; б — грузовых автомобилей [39] 1 — М-21 «Волга»; 2 — ЗАЗ-966, 3 — Москвич-408; 4 — Москвич-407; 5 — «Москвич:» -401М; 6 — ЗИЛ-130; 7 — ЗИЛ-375; 8 — Урал-376;» ~ Урал-378; 10 •-Урал-374   Рисунок 12 . Зависимость детонационной жесткости двигателя от числа оборотов коленчатого вала (а), степени сжатия (б) и температуры воздуха (в) [39]: 1, 2, 3 — средняя, максимальная и минимальная детонационная жесткость двигателя.

Детонационная жесткость является важным критерием оценки совершенства конструкции автомобильного двигателя, так как двигатели с малой жесткостью позволяют лучше использовать антидетонационные свойства чувствительных топлив. Следует иметь в виду, что большинство современных и перспективных автомобильных бензинов имеют довольно высокую чувствительность, доходящую до 10—12 единиц.

Для оценки совершенства двигателей по их антидетонационным требованиям предложено [11, 29] пользоваться двумя дополнительными безразмерными критериями — детонационным индексом ДИ и индексом использования в двигателе детонационной стойкости топлив ИДС. Эти показатели позволяют сопоставить результаты детонационных испытаний данного двигателя со среднестатистическими данными для двигателей такой же размерности. Под детонационным индексом имеется в виду отношение:

 

ДИ=ОЧ_тр/ОЧ_тф

где ОЧ_тр — требуемое октановое число, определенное расчетом по величинам степени сжатия и  диаметра цилиндра; ОЧ_тф — фактически требуемое октановое число по результатам детонационных испытаний данного двигателя.

Детонационный индекс позволяет сравнивать двигатели по их требованиям к детонационной стойкости бензинов, однако уменьшение требуемых октановых чисел может быть достигнуто и за счет ухудшения рабочих показателей двигателя. Для оценки конструкции двигателя с этих позиций служит индекс использования детонационной стойкости ИДС

 

 

ИДС_N=Nлоф/Nлор

ИДСр=Реф/Рер

где Nлоф и Реф— фактические максимальные значения литрооборотной мощности и среднего эффективного давления, определенные при испытаниях; Nлор и Рер — те же величины, определенные расчетом по известным фактическим антидетонационным требованиям.

Таким образом, детонационный индекс двигателя показывает, насколько его антидетонационные требования отличаются от средних требований аналогичных двигателей. Индекс использования детонационной стойкости показывает, насколько в данном двигателе топливо используется лучше или хуже, чем в среднем двигателе. Из определения следует, что лучшими, более совершенными, являются такие двигатели, которые имеют значения детонационного индекса и индекса использования детонационной стойкости более единицы.

В Таблица 5 представлены результаты оценки совершенства некоторых отечественных автомобильных двигателей по приведенным выше безразмерным показателям.

 

Таблица 5 . Значения безразмерных критериев совершенства
отечественных автомобильных двигателей [1]

 

 

Требования автомобильных двигателей к детонационной стойкости бензинов, установленные в стендовых условиях, могут значительно изменяться под влиянием некоторых параметров режима и эксплуатационных условий. На рис. 41 приведен ряд графиков, показывающих зависимость требований, предъявляемых к октановым числам бензина, от изменения некоторых режимных параметров двигателя [ ]. На рис. 41, а показано влияние на детонационные требования к топливу числа оборотов при полном открытии дроссельной заслонки, мощностной регулировке карбюратора и оптимальном угле опережения зажигания. Наибольшие детонационные требования в данном случае соответствуют наименьшему числу оборотов. Однако максимум ОЧт нередко располагается в области более высоких чисел оборотов, близких к числу оборотов, соответствующему максимальному крутящему моменту. При увеличении или уменьшении числа оборотов по отношению к этой точке детонационные требования уменьшаются.

На рис. 41, б изображена зависимость ОЧт от нагрузки (дросселирования) двигателя при постоянном числе оборотов, мощностной регулировке карбюратора и оптимальном угле опережения зажигания. Максимальные значения ОЧт соответствуют полному открытию дроссельной заслонки; по мере дросселирования двигателя эти требования быстро снижаются.

На рис. 41, в показана зависимость ОЧ,., от состава смеси при полном открытии дроссельной заслонки, постоянном числе оборотов и оптимальном угле опережения зажигания. Наибольшие значения ОЧт наблюдаются при составе смеси, близком к мощностной регулировке.

На рис., 41. г показано влияние угла опережения зажигания на ОЧт при полном открытии дроссельной заслонки, постоянном числе оборотов и мощностной регулировке карбюратора. Значения ОЧт в данном случае растут по мере увеличения угла опережения зажигания; однако постепенно этот рост замедляется. Следует отметить, что величины ОЧт продолжают возрастать и после увеличения угла
опережения зажигания сверх оптимального, когда показатели двигателя начинают ухудшаться [45].

Рисунок 13   Влияние основных режимных параметров двигателя на требования к ОЧ бензина [40]

(?_V/?_Vmax  — степень дросселирования двигателя при постоянном числе оборотов; t_см — температура смеси, °С;   t_охл- температура   охлаждающей жидкости, °С): I — при полностью открытой дроссельной заслонке, 2 — при переменном открытии дроссельной заслонки, что соответствует постоянному наполнению

На Рисунок 13, д показано влияние температуры смеси на ОЧт при постоянном числе оборотов, мощностной регулировке карбюратора и оптимальном угле опережения зажигания для двух случаев наполнения: 1 — при полном открытии дроссельной заслонки и 2 — при переменном открытии дроссельной заслонки, соответствующем постоянному наполнению, равному наполнению при наибольшей температуре смеси. Из графика видно, что как при постоянном открытии дроссельной заслонки, так и при постоянном наполнении повышение температуры смеси приводит к увеличению требуемого октанового числа.

На Рисунок 13, е иллюстрируется влияние температуры охлаждения на величину требуемого октанового числа. В этом случае изменение температуры охлаждения оказало небольшое влияние на величину требуемого октанового числа.

 

Все экспериментальные данные, представленные на Рисунок 13, получены на одном двигателе. Исследование ряда других двигателей показало, что зависимости по своему характеру являются общими для всех карбюраторных двигателей [45], однако количественное влияние тех или иных параметров может существенно отличаться от приведенных выше данных. Так, требования одноцилиндрового двигателя установки ИТ-9 при изменении температуры охлаждения со 100 до 120°С повышаются на 2,0 единицы, а со 100 до 140 — на 9, 2 единицы, что значительно превышает показанное на Рисунок 13 [ ].

Установленные на стенде требования двигателя к детонационной стойкости топлива могут существенно изменяться вследствие влияния эксплуатационных условий.

Антидетонационные требования двигателя повышаются при образовании нагара в камерах сгорания и накипи в системе охлаждения. Повышение требований связано в основном с ухудшением теплоотвода. Исследования показали, что антидетонационные требования автомобильного двигателя во время эксплуатации повышаются в среднем на 4—6 единиц, а в отдельных двигателя на 10—15 единиц. Рост требований происходит в первое время эксплуатации автомобиля равномерно и после пробега 10—15 тыс. км стабилизируется. Очистка двигателя от нагара и накипи уменьшает значение ОЧ_т (Рисунок 14).

Антидетонационные требования двигателя зависят и от климатических условий эксплуатации. Температура окружающего воздуха влияет непосредственно на температуру смеси и температуру охлаждения, т. е. те параметры, влияние которых на требования двигателя мы рассмотрели ранее (Рисунок 13). Повышение влажности воздуха и уменьшение атмосферного давления приводят к уменьшению требований к детонационной стойкости топлив.

Исследования показали [46], что для нормальной эксплуатации автомобильных двигателей в районах сухого жаркого климата требуются топлива с детонационной стойкостью примерно на 6—8 октановых единиц выше требований данного двигателя в обычных условиях. В районах с влажным тропическим климатом увеличение требований, вызванное повышенной температурой воздуха, практически полностью компенсируется снижением требований вследствие большой влажности воздуха.

Следует отметить, что необходимость применения более  высокооктановых бензинов диктуется не только увеличением антидетонационных требований двигателя при изменении определенных эксплуатационных условий, но и снижением фактического октанового числа бензинов, обладающих положительной чувствительностью.