СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОКТАНОВОГО ЧИСЛА АВТОМОБИЛЬНЫХ БЕНЗИНОВ Российский патент 2002 года по МПК G01N33/22 G01N29/02 

Предлагаемое изобретение относится к способам и устройствам исследования или анализа топлив, в частности автомобильных бензинов, с помощью электрических и электромеханических средств и может быть использовано в нефтеперерабатывающей промышленности, при транспортировке, хранении и реализации топлив во всех областях промышленности, где необходим оперативный контроль качества автобензина.

При использовании в двигателях бензинов различных марок основным фактором, определяющим мощностные и экономические показатели двигателя, является детонационная стойкость бензина. Стойкость бензина к возникновению детонационного сгорания зависит от его группового химического состава, количества в нем стойких к детонации соединений и наличия антидетонационных присадок.

На практике детонационную стойкость бензинов оценивают октановыми числами (ОЧ).

Разработан и стандартизирован ряд методов определения ОЧ. В частности, для автомобильных марок бензина применяют моторный и исследовательский методы, которые отличаются различными режимами работы моторной установки для определения ОЧ. Для бензинов А-72, А-76 ОЧ определяют по моторному методу (ОЧМ). Для бензинов АИ-93, АИ-95, АИ-98 ОЧ определяют обоими указанными методами (ОЧМ и ОЧИ). Оценка одновременно двумя методами дает возможность определить чувствительность топлива к изменению режима. Чувствительность оценивают разностью ОЧ, полученных исследовательским и моторным методами. Недостатком этого наиболее распространенного способа является значительная длительность определения (не менее 120 мин), дороговизна самой установки и эталонных топлив. Кроме того, этот способ может быть использован только на стационарной крупногабаритной установке, что делает затруднительным его широкое применение [1, 2].

Известен способ определения октанового числа бензинов, основанный на измерении инфракрасных спектров (ИК-спектров), т.е. спектров электромагнитного излучения с длиной волны λ≥800 нм. При контроле октанового числа или цетанового числа комплексной смеси, содержащей углеводороды и(или) замещенные углеводороды, измеряют величину поглощения в ближней ИК-области спектра на одной длине волны в одном или нескольких диапазонах, выбранных из группы, состоящей из следующих диапазонов: 1572-1698, 1700-1726, 824-884, 2058-2130 нм. Осуществляют математическое преобразование этого сигнала в выходной сигнал, определяющий октановое число или цетановое число смеси [3].

Существенным недостатком спектрального метода является отсутствие чувствительности к добавлению присадок, повышающих октановое число бензинов. Это приводит к низкой точности измерений.

Известен также способ определения октанового числа топлив, по которому подают воздух и топливо в сферический реактор, нагретый до 280-320^oС. После окончания реакции холоднопламенного окисления октановое число определяют по максимальному значению температуры реакции холоднопламенного окисления топлива [4].

К недостаткам определения октанового числа бензинов способом холоднопламенного окисления следует отнести необходимость предварительной калибровки. В процессе работы на установке сложно добиться устойчивой работы, и как следствие, определение октанового числа осуществляется с большой погрешностью.

Наиболее близким по технической сущности является способ определения октанового числа (ОЧ) топлив, заключающийся в определении значения ОЧ по зависимости ОЧ от информационных параметров, таких как диэлектрическая проницаемость ε бензина, плотность бензина ρ, температура бензина t[5]. В этом случае устройство для определения октанового числа содержит емкостной датчик, включенный в частотно-зависимую цепь автогенератора. Параллельно емкостному датчику подключены элементы компенсации с датчиками температуры и плотности. Теоретической основой данного способа служит известная взаимосвязь электрофизического параметра нефтепродуктов (диэлектрическая проницаемость) со структурными и фазовыми превращениями [6].

К недостаткам данного способа следует отнести определение ОЧ бензина по зависимости ОЧ от однократно определяемых информационных параметров (диэлектрической проницаемости ε, плотности бензина ρ и температуры t), что снижает точность определения ОЧ бензинов с различными химическими примесями.

Задача, на решение которой направлен заявляемый способ определения ОЧ бензинов, направлена на создание более эффективной технологии проведения измерений, связанной с использованием динамических зависимостей ОЧ бензинов от информационных параметров.

Технический результат достигается тем, что в способе ОЧ автомобильных бензинов, включающем предварительное построение зависимости (графика, таблицы и др. , ) информационного параметра бензина от ОЧ эталонных бензинов, в качестве информационных параметров используют значения скоростей распространения ультразвуковой волны в бензинах при двух различных фиксированных температурах, а ОЧ определяют из зависимости

где ОЧ(АИ) - октановое число бензина, соответствующее октановому числу бензина, определенному исследовательским методом, V₁ - скорость распространения ультразвуковой волны в бензине при температуре t₁=20^oС, м/с; V₂ - скорость распространения ультразвуковой волны в бензине при температуре t₂= 40^oC, м/c.

Бензины - это смеси ароматических, нафтеновых, нормальных парафиновых и непредельных углеводородов. Из-за сложного состава бензины следует рассматривать как акустические системы с распределенными постоянными. Скорость звука в различных органических жидкостях с учетом ряда факторов, характеризующих взаимодействие молекул, может быть определена по следующей известной формуле [6]:

где М - молекулярная масса, ρ_ плотность жидкости, b - постоянная Ван-дер-Ваальса, β_ адиабатическая сжимаемость, Т - температура. Из формулы следует, что скорость звука в органической жидкости должна зависеть от природы жидкости и от температуры. Именно эти зависимости были выбраны за основные информационные параметры бензинов при определении ОЧ. В различных марках бензинов в различной степени проявляется акустическая релаксация, которая сопровождается не только отличающимися значениями интегральных поглощений энергии, но и температурными дисперсиями скоростей звука. Причиной указанных эффектов являются обмены энергией между поступательными и внутренними степенями свободы молекул, при которых звуковая энергия расходуется на возбуждение соответственно колебательных и вращательных степеней свободы. Интенсивность таких энергетических обменов зависит от состава и пространственной конформации молекул. Неодинаковое соотношение в содержании разных углеводородных фракций у разных бензинов приводят к индивидуальному проявлению акустической релаксации у различных марок бензина аналогично смеси жидкостей.

Возможная техническая реализация предлагаемого способа показана на установке, приведенной на чертеже.

Установка включает в себя генератор прямоугольных импульсов 1, сигнал с которого поступает на пьезоизлучатель 3, установленный в торце рабочей цилиндрической камеры 2. С противоположного торца камеры устанавливается приемный пьезоэлемент 4, сигнал с которого поступает на двухлучевой осциллограф 6, где фиксируется время прохождения сигнала через рабочую камеру 2, заполненную бензином. Посредством водяного термостата 5 в камере поддерживается необходимая температура, которая меняется от 20 до 60^oС.

Полученные результаты приведены в таблице.

Из них следует, что у бензинов с различными октановыми числами различаются не только абсолютные значения скорости распространения звуковой волны V, но и температурные коэффициенты α, где α = dV/dt, т.е. α характеризует быстроту изменения скорости V ультразвуковой волны в бензине с ростом температуры t Для чистых фракций бензинов выяснилось:
1) чем выше ОЧ бензина, тем ниже скорость V распространения в нем звуковой волны;
2) для всех бензинов α<0;
3) чем выше ОЧ бензинов, тем меньше |α|.
Полученные результаты позволяют вывести эмпирическую формулу для определения октанового числа бензина по значениям скоростей V₁ и V₂, соответствующим температурам бензина соответственно при t₁=20^oС и t₂=40^oС. Формула имеет вид:

где ОЧ(АИ) - октановое число бензина, соответствующее октановому числу бензина, определенному исследовательским методом; V₁ - скорость распространения ультразвуковой волны в бензине при 20^oС, м/с; V₂ - скорость, распространения ультразвуковой волны в бензине при 40^oС м/с. Расчет можно производить как вручную, так и с помощью ЭВМ, программу для которой несложно составить на основе предложенной формулы.

Пример: Рассчитаем ОЧ (АИ), соответствующее бензину марки АИ-92 по предложенной формуле, воспользовавшись результатами, приведенным в таблице. Тогда:

Применение заявленного способа в народном хозяйстве не представляет значительных трудностей, не связано с большими затратами на его осуществление и может иметь большое значение при создании новых технических устройств для экологичного экспресс-контроля детонационной устойчивости автомобильных бензинов.

Источники информации
1. Покровский Г.П., Топливо, смазочные материалы и охлаждающие жидкости, М.: Машиностроение, 1985, с.35-37.

2. Авт. свид. СССР 1416909, кл. G 01 N 33/22, М., 1986.

3. Патент США 5349188, G 01, N 21/35.

4. Авт. свид. СССР 1245975, кл. G 01 N 25/20, М., 1983.

5. Патент РФ 2100803, кл. G 01 N 27/22, 33/22, М., 1997.

6. Каневский И. Н., Фокусирование звуковых и ультразвуковых волн., М.: Наука, 1977.

Изобретение относится к способам исследования и анализа топлива, в частности автомобильных бензинов, и может быть использовано в нефтеперерабатывающей промышленности. Повышение эффективности определения октанового числа (ОЧ) автомобильных бензинов достигается за счет того, что предварительно определяют зависимости (графика, таблицы и др.) информационного параметра бензина от ОЧ эталонных бензинов. В качестве информационного параметра используют значения скоростей распространения ультразвуковой волны в бензинах при двух различных фиксированных температурах. ОЧ определяют из зависимости ОЧ(АИ)= 40 [(V₁-V₂)/100+2000/V₂], где ОЧ(АИ) - октановое число бензина, соответствующее октановому числу бензина, определенному исследовательским методом; V₁- скорость распространения ультразвуковой волны в бензине при температуре t₁=20^oС, м/с; V₂ - скорость распространения ультразвуковой волны в бензине при температуре t₂=40^oС, м/с. Частоты ультразвуковых волн выбирают в диапазоне 100-200 кГц. 1 з.п. ф-лы, 1 табл., 1 ил.

1. Способ определения октанового числа (ОЧ) автомобильных бензинов, включающий предварительное построение зависимости (графика, таблицы и др. ) информационного параметра бензина от ОЧ эталонных бензинов, отличающийся тем, что в качестве информационного параметра используют значения скоростей распространения ультразвуковой волны в бензинах при двух различных фиксированных температурах, а ОЧ определяют из зависимости

где ОЧ (АИ) - октановое число бензина, соответствующее октановому числу бензина, определенному исследовательским методом;
V₁ - скорость распространения ультразвуковой волны в бензине при температуре t₁= 20^oС, м/с;
V₂ - скорость распространения ультразвуковой волны в бензине при температуре t₂= 40^oС, м/с. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что частоты ультразвуковых волн выбирают в диапазоне 100-200 кГц.