Спосіб визначення детонаційної стійкості моторних палив

Способ определения детонационной стойкости моторных топлив, включающий термостатирование реакционного сосуда постоянного объема, подачу в него топливовоздушной смеси и ее распыление при избыточном давлении, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что смесь поджигают в сосуде, а детонационную стойкость топлива определяют по величине электрического сигнала датчика детонации, установленного в реакционном сосуде. мальным гептаном, которая по интенсивности детонации в одноцилиндровом двигателе с переменной степенью сжатия в стандартных условиях испытания эквивалентна испытуемому топливу. Способы, основанные на моторных испытаниях, в общем правильно характеризуют топлива, но обладают существенными недостатками. К таким недостаткам относятся значительная продолжительность испытаний и большой расход испытуемого топлива. Так, испытание одного образца топ-лива.по моторному или исследовательскому методу длится 20 мин, а расход испытуемого образца составляет 300 мл. Одним из отрицательных последствий ON ON sO О 26694 большого расхода топлива является интенсивный выброс в атмосферу вредных продуктов сгорания. Из-за большого расхода образца топлива эти методы практически невозможно использовать для испытания продуктов, полученных на микропилотных установках. Кроме того, эти методы очень сложно включить в технологическую схему для испытания продуктов в потоке, а также использовать в системе автоматического управления. Наконец, моторные установки, на которых реализуется упомянутый способ, весьма дороги и громоздки. В качестве прототипа заявляемого изобретения принят способ определения детонационной стойкости моторных топлив, включающий термостатирование реакционного сосуда постоянного объема, подачу в него топливовоздушной смеси и ее распыление при избыточном давлении [3]. Способ основан на инициировании низкотемпературной реакции газофазного окисления топлив и предусматривает термостатирование реакционной емкости постоянного объема до температуры 250350°С, подачу порции испытуемого топлива, смешивание его с содержащимся в емкости при атмосферном давлении воздухом, холоднопламенное окисление образовавшейся горючей смеси. При этом температура в реакционной емкости повышается. Величина прироста температуры и время наступления ее максимального значения характеризуют детонационную стойкость моторного топлива. С ухудшением детонационной стойкости пробы прирост температуры увеличивается и время наступления ее максимального значения сокращается. Способы и методы, основанные на изучении холоднопламенных процессов, обладают рядом достоинств: они сравнительно дешевы, при их применении потребляется незначительное количество образца, их легко включить в технологическую схему для испытания продуктов в потоке, а также использовать в системе автоматического управления. Но у этого способа имеется один весьма существенный недостаток: испытания топлива проводятся в условиях, весьма далеких от условий работы двигателя. В двигателе детонация происходит в процессе сгорания топлива, а в рассматриваемом способе до сгорания вообще дело не доходит. Таким способом изучаются лишь явления, происходящие с топливом в процессе подготовки к сгоранию, предпламенные процессы. Различие между условиями сгорания топ 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 4 • лива в двигателе и его испытаниями в условиях холоднопламенного окисления ограничивает возможности данного способа испытания. Упомянутый способ дает хорошие результаты при испытании однородных образцов топлив известного состава с незначительным его изменением, например, на выходе из технологической установки. Если же состав топлива не известен, то результаты испытания могут быть ненадежными. Кроме того, этим способом практически невозможно оценить эффективность антидетонационных присадок, так как механизм их действия различен и судить об их эффективности по холоднопламенным процессам невозможно. Поэтому данный способ рекомендуется использовать для контроля процессов смешения, в которых не применяются антидетонационные присадки, в частности тетраэтиловый свинец. В основу изобретения поставлена задача повышения степени достоверности определения детонационной стойкости, уменьшения длительности испытаний и количества расходуемого при этом топлива, снижения выделения вредных примесей, а также расширения области применения способа определения детонационной стойкости моторных топлив путем поджига топливной смеси в реакционном сосуде, что позволяет определять детонационную стойкость топлива в процессе его сгорания, обусловливает возникновение детонационных ударных волн в сосуде и, тем самым, создает условия для использования высокоточных датчиков детонации, создает возможность испытания топливной смеси неоднородного состава и оценки эффективности антидетонационных присадок в топливе. Поставленная задача решается тем, что в способе определения детонационной стойкости моторных топлив, включающем термостатировачие реакционного сосуда постоянного объема, подачу в него топливовоздушной смеси и ее распыление при избыточном давлении, согласно изобретению, смесь поджигают в сосуде, а детонационную стойкость топлива определяют по величине электрического сигнала датчика детонации, установленного в реакционном сосуде. В отличие от известного способа определения детонационной стойкости, включающего подачу топлива в термостатированную реакционную емкость, распыление, смешивание с содержащимся в емкости воздухом и холоднопламенное окисление, в предлагаемом способе горючую 26694 смесь дополнительно поджигают и детонируют. Предложенный способ позволяет определять детонационную стойкость топлива по интенсивности детонации горючей смеси, воспламеняемой в реакторе искровым разрядом. Интенсивность детонации является характеристикой детонационной стойкости топлива: чем выше интенсивность детонации, тем ниже детонационная стойкость. Данные об интенсивности детонации получают от установленного в реакторе датчика детонации. В способе использован магнитострикционный датчик детонации. Действие датчика детонации основано на магнитострикционном эффекте. Под воздействием детонационных ударных волн происходит вибрационная деформация магнитострикционного стержня и в обмотке стержня возникает электрическое напряжение, пропорциональное интенсивности детонации. Это напряжение регистрируют осциллографом или другим измерительным прибором, например цифровым вольтметром, и по его величине судят об интенсивности детонации. Магнитострикционный датчик не единственный прибор измерения интенсивности детонации. Для этой цели можно использовать, например, пьезодатчик, который под воздействием детонационных ударных волн также вырабатывает электрический сигнал. Процессы, происходящие в условиях сгорания топлива в реакторе, практически воспроизводят процессы, происходящие в реальном двигателе, но одновременно, в отличие от известного способа, появляется возможность существенно уменьшить длительность испытания, расход испытуемых топлив, выбросы в атмосферу вредных продуктов сгорания, упрощается методика эксперимента, облегчается включение метода в поток технологической установки и в систему автоматического управления. Устройство для реализации способа представлено на фиг. 1. Устройство состоит из стального цилиндрического реактора 1 постоянного объема. Вокруг реактора расположен электрический нагреватель 2, который покрыт слоем 3 теплоизоляции. Температуру в реакторе контролируют с помощью термопары 4, связанной с гальванометром. На верхнем днище реактора расположены впускной клапан 5 и искровой разрядник (свеча зажигания) 6. На нижнем основании реактора установлены выпускной вентиль 7 и датчик 8 детонации, связанный с запоминающим 5 10 15 20 ' 25 30 35 40 45 50 55 осциллографом. Испытуемое топливо дозируется и вводится в реактор через трехходовой кран 9 и V-образную трубку 10. Воздух в реактор подается из ресивера через воздушный клапан 11. Способ реализуют следующим образом, , , • Исследуемый объем топлива вводят через U-образную трубку 10, затем кран 9 поворачивают по часовой стрелке на 90° и нажатием на рычаг одновременно открывают впускной клапан 5 и воздушный клапан 11. В процессе вдувания топливо распыляется, смешивается с воздухом, нагревается и образует горючую смесь. Через заданный промежуток времени оба клапана одновременно закрывают и горючую смесь поджигают искровым разрядом. В результате сгорания смеси возникает детонация, интенсивность которой зависит от детонационной стойкости испытуемого топлива. Сигнал от датчика детонации поступает на осциллограф, где и фиксируется интенсивность детонации. После сгорания смеси открывают выпускной вентиль 7, через который производят сброс продуктов сгорания из реактора. Затем открывают впускной и воздушный клапаны 5 и 11 и продувают реактор чистым воздухом. Клапаны 5, 11 и вентиль 7 закрывают. Устройство вновь готово к испытанию. Испытание топлив производят аналогично стандартной методике для определения октановых чисел. В процессе разработки методики выбирают температуру реактора и при этой температуре провсдят испытания. В зависимости от объектов испытания и решаемой задачи температура реактора изменяется в пределах 150-350°С. Давление воздуха для каждой пробы в зависимости от детонационной стойкое^ ти выбирают так, чтобы интенсизноетъ детонации в процессе испытания не выходила за пределы принятых по методике значений. В зависимости от конкретной методики соотношение топлиао/воздух выбирают двумя приемами. По первому приему изменяют объем . подаваемого в реактор топлива и выбирают такое соотношение топливо/воздух, при котором наблюдается максимальная', интенсивность детонации. Полученную интенсивность детонации сравнивают с интенсивностью детонации эталонных топлив и по полученным результатам судят о детонационйой стойкости испытуемого топлива. Этот прием желательно применять при испытании образцов топлив, су 26694 щественно различающихся один от другого по составу, либо топлив неизвестного состава. Второй прием рассчитан на испытание топлив близкого состава, например, при испытании продуктов в технологическом потоке, В этом случае оптимальный состав смеси, соответствующий максимальной интенсивности детонации, выбирают в процессе разработки методики и испытание всех проб проводят в этих условиях. На фиг. 2 приведены детонационные характеристики нормального гептана при испытании под давлением 3 атм и температуре: где 12- 150; 13 - 210 и 14 265°С; на фиг. 3 - детонационные характеристики изооктана (15) и нормального гептана (16) при испытании под давлением 3 атм и температуре 210°С; на фиг. 4 - детонационные характеристики изооктана при испытании под давлением 10 атм и температуре 305°С; на фиг. 5 детонационные характеристики чистой смеси изооктана с нормальным гептаном (17) и с применением антидетонационной присадки (тетраэтилового свинца) (18). На фиг. 2-5 и в таблице приведены записи сигналов от магнитострикционного датчика детонации при сгорании различных теплив. Опыты проводят в стальном цилиндрическом реакторе внутренним диаметром 60 мм и длиной 145 мм. П р и м е р 1. На фиг. 2 приведены результаты испытаний нормального гептана при постоянном давлении 3 атм, но при различных температурам 150, 210 и 265°С. С повышением температуры сгорание ужесточается и сигнал от датчика детонации резко усиливается. П р и м е р 2. Для того чтобы убедиться, что мы наблюдаем именно детонацию, испытанию в идентичных условиях подвергают изооктан и нормальный гептан. Известно, что изооктан отличается от нормального гептана только повышенной устойчивостью к детонации. На фиг. 3 приведены записи показаний осциллографа, соответствующие результатам испытания изооктана и нормального гептана. Как видно из фиг. 3, кривая - сигнал от изооктана имеет плавную форму, в то время как сигнал от нормального гептана имеет острый высокий пик - очевидное свидетельство детонации. П р и м е р 3. Способ позволяет добиться эффекта детонации и при испытании изооктана, только в более жестких условиях (под давлением воздуха 10 атм 8 и при температуре 305°С), полученная кривая приведена на фиг.4. П р и м е р 4. С целью изучения данных об изменении интенсивности де5 тонации в зависимости от состава топлива испытанию поочередно подвергают топлива со следующими соотношениями изооктана и нормального гептана (в %): 67:33; 75:25; 85:15; 100. Условия испыта10 ния: давление 3 атм, температура 260°С. Полученные данные представлены в таблице. Как свидетельствуют данные таблицы, интенсивность детонации снижается по мере увеличения содержания изоокта15 на в испытуемом образце. Таким образом, способ позволяет с уверенностью судить о детонационной стойкости топлива смешанного состава. П р и м е р 5. Для получения данных 20 об изменении интенсивности детонации топлива в результате применения антидетонационных присадок испытанию подвергают смеси 75% изооктана с 25% нормального гептана в чистом виде и с до25 бавкой тетраэтилового свинца в соотношении: 1 мл ТЭС на 1 л топлива. Как видно на фиг. 5, 8 отличие от чистой смеси, кривая детонации топлива с ТЭС имеет срезанный пик. Таким обра30 зом, способ позволяет оценить детонационную стойкость топлив, содержащих антидетонационные присадки. Приведенные испытания выполнены на макете прибора с цилиндрическим реак35 тором объемом 0,5 л. При среднем давлении испытания 5 кг/см и температуре 250°С расход воздуха на весь цикл для испытанного реактора составляет около 3 л. Следовательно, одного стандартного 40 баллона сжатого воздуха (объем 40 л, давление 150 кг/см) хватит на 2000 циклов испытаний. Расход топлива на одно измерение в зависимости от давления воздуха состав45 ляет 0,15-0,5 мл. Следовательно, для выполнения, например, 10 измерений мак' симальный расход образца будет не более 5 мл. Это в 60 раз меньше, чем при определении октанового числа по мотор50* ному или исследовательскому методу. Соответственно сокращаются вредные выбросы в атмосферу. Благодаря такому малому расходу образцов все трудности по обеспечению микропилотных установок ис55 пытаниями снимаются. При работе на макете прибора, ручном его управлении и регистрации результатов испытания полный цикл одного измерения длится не более 30 с. 10 26694 При работе на промышленном образце прибора с автоматизированным управлением и регистрацией результатов испытания это время может быть сокращено до нескольких секунд. Таким образом, для выполнения 10 циклов измерения потребуется 1-2 мин. Такой прибор, снабженный программатором, легко включить в поток технологической установки и в систему автоматического управления. Содержание изооктана в смеси с нормальным гептаном Интенсивность детонации (в условных еди ницах - величина U в записи осциллографа) 07 5.8 75 4,8 85 4,4 100 1.3 26694 U тг уX \ Г \ У і Г 13 ч / у1 / Ш (риг 2 Z/ І 75 ft 1 76 f \ -— • —-1. и ItШ У 1 г J Г і 77 ч / Упорядник Техред РИ. Келемеш Коректор А.Маковська Замовлення 525 Тираж Підписне Державне патентне відомство України, 254655, ГСП, Київ-53, Львівська пл., 8 Відкрите акціонерне товариство "Патент", м. Ужгород, вул. Гагаріна, 101