Химия топлива . Октановое число и как его повысить на турбированых двигателях. Часть 5

Пришла пора ответить на вопрос, почему осыпаются перегородки на поршнях, поднимает головку блока и, якобы, “ ПЕРЕГРЕВАЮТСЯ ” моторы ЕЖ 257.

Обещал в предыдущем посте перейти от теории к практике, но когда начал писать опять понял, что без дополнительной теории не смогу обойтись. Вообще, часто стал слышать, читать в комментариях, что все это теория, а главное практика. По мне, так без фундамента нельзя построить дом.
ОСНОВЫ ДЕТОНАЦИИ
Детонация делится на два типа:
— Knocking (also called knock,  detonation,  spark knock,  pinging or pinking, детонационное сгорание). Этот тип детонации происходит после зажигания смеси с помощью искры, spark knock. Очень кратко об этом типе.
Звучание слова, описывающего этот тип детонации похоже на звук, производимый двигателем при неконтролируемом воспламенении смеси в удаленных от свечи зажигания местах камеры сгорания. Обычно это происходит когда давление и/или температура в КС становится слишком большой, из-за чего смесь самовоспламеняется еще до того, как фронт пламени достигнет этих участков.
Так выглядит нормальный процесс воспламенения смеси

Так выглядит Нок

— Pre ignition – преждевременное зажигание (ПЗ) или non spark knock, зажигание без искры. Его еще часто называют дизелин, т.е работает как дизель . ПЗ делится на два подтипа.
1. калильное зажигание (КЗ), оно происходит при соприкосновении смеси с раскаленными до 700 – 800 градусов участками КС. Обычно это места в районе острых краев, выпускных клапанов, на свечах зажигания или раскаленного нагара (carbon)
2. self ignition, самовоспламенение (СЗ). Данный подтип детонации (зажигания) происходит на такте сжатия. При сжатии температура смеси сильно возрастает и при достижении температуры самовоспламенения (ТСВ) смесь сама, без помощи искры воспламеняется. Для бензина АИ98 — ТСВ равняется 280 градусам С.
Преждевременное зажигание ПЗ – страшная вещь. Во-первых, мотор его не слышит, оно не издает звук (Knock), но дело свое делает. Так же оно является причиной мегадетонации, когда трескаются и прогорают поршня.
Так же детонация и ПЗ по разному разрушают мотор.

Здесь очень хорошо видно, что именно ПЗ является причиной разрушения перегородок в поршнях.
Вывод – проблема моторов ЕЖ257 в России (у нас такой проблемы на стоке не встречается) заключается в преждевременном зажигании, а не детонация. Давайте разбираться, в чем же причина. Ответ простой – не соответствующий бензин данному мотору.
Субару моторы рассчитаны на 98 бензин (да не только субару, в основном все турбированные двигатели). Мы уже рассмотрели, что такое октановое число. Однако у топлив есть и другие очень важные показатели, а именно температура самовоспламенения (ТСВ) и скорость горения. В данном случае нас интересует ТСВ. Для АИ98 она равняется 280 — градусов, а для 95 – 260 градусов. Кажется разница не очень большая, но, к сожалению, это не так.
Вообще, все дальнейшие рассуждения следует рассматривать как мои личные умозаключения, основанные на изучении термодинамических и химических процессов в ДВС. Помните, я упоминал об условной, критически допустимой при расчетах температуре 596 К или 323 градуса Цельсия? Но здесь, на первый взгляд, несоответствие – ТСВ 280 градусов, а допустимая другая. Как же так? Все не так уж сложно.
Основной составной частью бензина является углеводород C8H15. Если мы рассчитаем вызванное парообразованием понижение температуры (законы термодинамики!), оно составит при АФР 12.2/1 — 25 градусов. Х – 25 = Y критическая температура для АИ98. Но это не все, смотрим на график

Если Вы помните, мы рассчитывали температуру при условии полного сжатия, т.е. до верхней мертвой точки (ВМТ). Но зажигание, обычно, производят чуть раньше. На графике момент зажигания показан точкой А. В этот момент времени и компрессия меньше, и температура. Точка B – момент возгорания, а промежуток АB – задержка.
Давайте посмотрим более внимательно на задержку АB

Где SIT – self ignition temperature (температура самовозгорания ТСВ), в нашем случае 280 градусов. При расчетах мы должны учитывать, что зажигание может быть и при нулевом опережении. Из графика видно, что если мы не достигли ТСВ, так его и не будет. При небольшом превышении ТСВ задержка достаточно большая. Чем выше температура в сравнении с ТСВ, тем короче задержка. Таким образом мы и пришли от 323 градусов к 280.
Так что же получится, если залить бензин, пусть даже и 98, но с ТСВ 260 градусов? Кстати температура 280 градусов соответствует европейскому Shell V power.
Следующий график необходимо изучить очень внимательно, там и есть ответ

Pre ignition point — точка самовозгорания, которая наступает при достижении ТСВ ( 260 градусов), Normal ignition point – нормальное зажигание (при 280 градусах). Это самовозгорание не слышно датчику детонации, да в этот момент оно и не страшно. Смесь чуть раньше зажглась, с учетом задержки в момент подачи искры смесь уже горит и начинает расширятся, происходит сдвиг максимального давления ближе к ВМТ, тем самым повышается давление и температура. Это схоже с тем, что происходит при небольшом увеличении угла опережения зажигания. Но это на первый взгляд. Температура и давление повышается, на следующем цикле задержка уменьшается и происходит сдвиг еще больше в сторону ВМТ, и так далее. Повышается температура в КС, как следствие может появится еще и калильное зажигание. В свою очередь, это приведет к еще большему давлению и температуре. А датчик детонации не реагирует, т.к. он не слышит детонации, она еще не наступила. Однако давление уже настолько сильное, что приводит к выдавливанию прокладки, увеличению нагрузки на коленвал и вкладыши, а в итоге к тихому разрушению перегородок в поршнях.
Ну это так, в общих чертах. Надеюсь понятно?
Может возникнуть вопрос, а почему мозги не делают корректировку? Ответ простой – все калибровки сделаны из расчета на ТСВ 280 градусов. Информацию о температуре мозги получают с датчика, установленного на впуске. Информацию о реальной ТСВ мозгам взять неоткуда, соответственно и нет адекватной коррекции по бусту. А так как преждевременное зажигание пока не переросло в knock, нет издающей звук детонации, нет и коррекции по зажиганию. Машина рассчитана на 98 бензин с ТСВ 280 градусов, вот и все.
Я не стал расписывать причину подъема головы. Здесь все должно быть уже понятно, так же как и то, что проблема вовсе не в системе охлаждения. Для примера, у нас здесь на нормальном бензине 2.5 литровый СТИ с мощностью за 400 сил, со стоковой системой охлаждения ездит целый день на треке, при бешеных нагрузках. И все в порядке. Нет не все – масло надо охлаждать, это факт.

ОТКУДА БЕРЕТСЯ ОКТАН?

Известны три основных принципа в производстве высокооктановых топлив путем их химизации. Первый — использование добавок на базе ароматических углеводородов. Пример — монометиланилин (ММА), имеющий октановое число 280. Один процент добавки такого состава повышает октановое число базового бензина на 1-2 единицы. Основной недостаток — повышение токсичности отработавших газов и уровня органических отложений в камере сгорания. Второй — использование высокооктановых компонентов на базе спиртов или эфиров. Наиболее распространенное — метилтретбутиловый эфир (МТБЭ). Это кислородсодержащие вещества, и добавка их к базовому топливу повышает полноту сгорания, снижает токсичность отработавших газов. Основные недостатки — сравнительно низкое октановое число (110-120), поэтому требуется большой процент добавки -до 15%, а это существенно снижает общую теплотворную способность товарного топлива. Кроме того, у таких топлив повышенная агрессивность к резинам и пластикам. Третий — использование металлсодержащих антидетонаторов на базе свинца, железа, никеля, марганца и других металлов. Основное преимущество этих присадок -очень высокая «работоспособность»: тетраэтилсвинец имеет эффективность в 600 раз большую, чем бензол, а ферроцен — в 450-500 раз. Основные недостатки — плохая выносимость из камеры сгорания, а также резкий рост канцерогенной опасности отработавших газов.
К сожалению в Росси не жалуют способ повышения октана с использованием метанола CH3OH и этанола C2H5OH. Эти спирты прекрасно растворяются в бензине, имеют неплохие октановые числа смешения, но растворимы и в воде. А поскольку в товарных бензинах всегда есть вода, то спирт будет переходить в водную фазу и с ней отслаиваться. В резервуарах при хранении он окажется внизу. Чтобы этого не происходило требуется добавка гомогенизатора, например изобутилового спирта C4H9OH, а это уже дороже. С МТБЭ этой проблемы нет, он растворим только в бензине.
ферроцен — находка для нефтяников: он столь же дешев (особенно китайский!), сколь и эффективен. Если следовать разрешенным нормам, то одного килограмма этого оранжево-коричневого порошка стоимостью в десяток условных единиц хватает для изготовления 50 тонн (!) высокооктанового бензина. Сказка, а не порошок… Но вот беда: он порождает множество отложений в камере сгорания и выпускной системе. Железо, которое является основой этого металлоорганического соединения, гореть почему-то не хочет — оно осаждается и на клапаны, и на свечи, и на стенки выпускной системы. Причем не просто так, а в виде токопроводящих оксидных пленок цвета качественной ржавчины. Как с этим бороться? Да как в бородатом анекдоте — «летай, сынок, но так низенько-низенько…». С ферроценом нечто подобное — лей, но маленько-маленько. Раньше, во времена преимущественно простеньких карбюраторных двигателей, разрешали использовать эту бяку в концентрации не больше 37 мг/л топлива. Для «башковитых» впрысковых моторов и этого оказалось много — токопроводящие отложения стали весело убивать лямбда-зонды и катализаторы. Наши подумали-подумали и решили… не запрещать ферроцен совсем, как это сделано в большинстве цивилизованных стран, а уменьшить его предельно допустимую концентрацию — до 17 мг/л. Но уж коли хоть что-то разрешено, а на горизонте маячит суперприбыль от реализации копеечного прямогонного бензина под видом супертоплива, то предсказать последствия нетрудно! Вдали от крупных городов и контролирующих органов удержаться от соблазна ох как трудно…

Очень много последнее время на просторах интернета мусолится тема Ацетона. Поверьте на слово, это один из эффективных способов лечения (улучшения) бензина. Он до сих пор применяется во многих странах (в которых сильно развито его производство). И уж точно его нельзя сравнивать с ферроценом, этим убийцей моторов.

Все таки не сдержал слово, опять не закончил эту тему. В следующем посте будет конкретно, без теории, только о том, как можно повысить ОКТАН ВАШЕГО АВТОМОБИЛЯ.
ЕСЛИ ВЫ НЕ МОЖЕТЕ ИЗМЕНИТЬ КАЧЕСТВО БЕНЗИНА – ИЗМЕНИТЕ НЕМНОГО СВОЙ АВТОМОБИЛЬ, И БУДЕТ ОН БЕЗПРОБЛЕМНО ЕЗДИТЬ СОТНИ ТЫСЯЧ КМ