способ определения детонационной стойкости моторных топлив

Формула изобретения

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДЕТОНАЦИОННОЙ СТОЙКОСТИ МОТОРНЫХ ТОПЛИВ, включающий термостатирование реакционного сосуда постоянного объема, подачу в него топливовоздушной смеси и ее распыление при избыточном давлении, отличающийся тем, что смесь поджигают в сосуде, а детонационную стойкость топлива определяют по величине электрического сигнала датчика детонации, установленного в реакционном сосуде.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к нефтепереработке и нефтехимии, в частности к технике определения детонационной стойкости моторных топлив.

Известны способы определения детонационной стойкости топлив по моторному методу [1] и по исследовательскому методу [2], включающие подачу топлива в реакционную емкость с переменной степенью сжатия, распыление и воспламенение смеси, определение детонационной стойкости. Способ реализуется на одноцилиндровом двигателе с переменной степенью сжатия, а детонационную стойкость выражают октановым числом, численно равным процентному содержанию изооктана в такой его смеси с нормальным 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 топлива по моторному или исследовательскому методам длится 20 мин, а расход испытуемого образца составляет 300 мл. Одним из отрицательных последствий большого расхода топлива является интенсивный выброс в атмосферу вредных продуктов сгорания. Из-за большого расхода образца 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.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ, основанный на инициировании низкотемпературной реакции газофазного окисления топлив [3] . Способ предусматривает термостатирование реакционной емкости постоянного объема до температуры 250-350^оС, 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 детонации 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 топлива 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 неизвестен, 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.

Цель изобретения - повышение степени достоверности определения детонационной стойкости и расширение области применения способа, в частности для оценки эффективности антидетонационных присадок.

Цель достигается тем, что в отличие от известного способа определения детонационной стойкости, включающего подачу топлива в термостатированную реакционную емкость постоянного объема, распыление, смешивание с содержащимся в емкости воздухом и холоднопламенное окисление, горючую 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.

Нами 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 осциллографом. Испытываемое топливо дозируется и вводится в реактор через трехходовый кран 9 и U-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^о 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 испытываемого 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 проводят испытания. В зависимости от объектов испытания и решаемой задачи температура реактора изменяется в пределах 150-350^оС.

Давление воздуха для каждой пробы в зависимости от детонационной стойкости выбирают так, чтобы интенсивность детонации в процессе испытания не выходила за пределы принятых по методике значений. В зависимости от конкретной методики соотношение топливо/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 детонационной стойкости испытуемого топлива. Этот прием желательно применять при испытании образцов топлив, существенно различающихся друг от друга 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^оС; на фиг. 3 - детонационные характеристики изооктана (15) и нормального гептана (16) при испытании под давлением 3 атм и температуре 210^оС; на фиг. 4 - детонационные характеристики изооктана при испытании под давлением 10 атм и температуре 305^оС; 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 топлив. 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 температурах: 150, 210 и 265^оС. 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 условия (под давлением воздуха 10 атм и при температуре 305^оС), полученная кривая приведена на фиг.4.

П р и м е р 4. С целью изучения данных об изменении интенсивности детонации в зависимости от состава топлива испытанию поочередно подвергают топлива со следующими соотношениями изооктана и нормального гептана, %: 67: 33; 75: 25; 85:15; 100. (Условия испытания: давление 3 атм, температура - 260^оС. Полученные данные представлены в таблице.

Как свидетельствуют данные таблицы, интенсивность детонации снижается по мере увеличения содержания изооктана 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 об изменении интенсивности детонации топлива в результате применения антидетонационных присадок испытанию подвергают смеси 75% изооктана с 25% нормального гептана в чистом виде и с добавкой тетраэтилового свинца в соотношении: 1 мл ТЭС на 1 л топлива.

Как видно на фиг.5, в отличие от чистой смеси кривая детонации топлива с ТЭС имеет срезанный пик. Таким образом, способ позволяет оценить детонационную стойкость топлив, содержащих антидетонационные присадки.

Приведенные испытания выполнены на макете прибора с цилиндрическим реактором объемом 0,5 л.

При среднем давлении испытания 5 кг/см и температуре 250^оС расход воздуха на весь цикл для испытанного реактора составляет около 3 л. Следовательно, одного стандартного 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 составляет 0,15-0,5 мл. Следовательно, для выполнения, например, 10 измерений максимальный расход образца будет не более 5 мл. Это в 60 раз меньше, чем при определении октанового числа по моторному или исследовательским методам. Соответственно сокращаются вредные выбросы в атмосферу. Благодаря такому малому расходу образцов все трудности по обеспечению микропилотных установок испытаниями снимаются.

При работе на макете прибора, ручном его управлении и регистрации результатов испытания полный цикл одного измерения длится не более 30 с. 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 измерений потребуется 1-2 мин.

Такой прибор, снабженный программатором, легко включить в поток технологической установки и в систему автоматического управления.