СПОСОБ ОЦЕНКИ ДЕТОНАЦИОННОЙ СТОЙКОСТИ АВТОМОБИЛЬНЫХ БЕНЗИНОВ Российский патент 2008 года по МПК G01N33/22 

Изобретение относится к способам оценки детонационной стойкости автомобильных бензинов и компонентов, имеющих октановые числа выше 100 единиц.

В настоящее время для оценки детонационной стойкости автомобильных бензинов разработан ряд способов, в основу которых положено два основных принципа:

- оценка физико-химического показателя, зависящего от состава бензина, с последующим расчетом октанового числа по предварительно установленной эмпирической зависимости;

- определение для бензина эквивалента эталонной топливной смеси (объемного содержания изооктана в смеси с нормальным гептаном), который в стандартных условиях испытания на одноцилиндровой установке с переменной степенью сжатия, регламентированных стандартом, обеспечивает одинаковый с испытуемым образцом уровень детонации.

В способах, где используется первый принцип (аналоги), в качестве оцениваемого показателя применяются различные физические показатели бензинов, как то:

- коэффициенты экстинкции в ИК-диапазоне (патент РФ №2094776, 1997 г.);

- скорость распространения ультразвуковой волны при двух фиксированных температурах (патент РФ №2189039, 2002 г.);

- диэлектрическая проницаемость (патент РФ №2231780, 2004 г.);

- поверхностное натяжение (патент РФ №2247982, 2005 г.).

Однако такой подход обеспечивает удовлетворительную достоверность только в пределах ограниченных составов и уровней детонационной стойкости, для которых была установлена эмпирическая зависимость. При выходе за эти пределы, в частности, за счет вовлечения в состав оцениваемого образца бензина новых компонентов и присадок, влияющих на детонационную стойкость, применение статистических корреляционных зависимостей не обеспечивает достоверных оценок. Поэтому для оценки детонационной стойкости образцов автомобильного бензина без ограничений по составу и уровню детонационной стойкости используют испытание на двигателе с измерением интенсивности детонации.

В настоящее время общепринятым способом оценки октанового числа бензина является определение эквивалента эталонной топливной смеси (объемного содержания изооктана в смеси с нормальным гептаном), который в стандартных условиях испытания на одноцилиндровой установке с переменной степенью сжатия, регламентированных стандартом, обеспечивает одинаковый с испытуемым образцом уровень детонации. Однако такое определение октанового числа теряет смысл, если образец имеет детонационную стойкость выше, чем детонационная стойкость изооктана (100 единиц). Для решения этой проблемы в способе оценки октановых чисел таких бензинов на одноцилиндровой установке с переменной степенью сжатия, работающей в условиях исследовательского метода, необходимо обеспечить монотонный переход от шкалы, получаемой на основе смесей изооктана с нормальным гептаном, к шкале с более высокими антидетонационными свойствами.

Наиболее близким к предлагаемому является способ, использующий при испытании бензинов с октановым числом выше 100 единиц переход к шкале на основе смесей изооктана с тетраэтилсвинцом.

(ГОСТ 8226-82. «Топливо для двигателей. Исследовательский метод определения октанового числа». Издательство стандартов, 1983 г.)

Способ заключается в сравнении детонационной стойкости испытуемого бензина с детонационной стойкостью эталонных топлив, выраженной октановым числом, при испытании на одноцилиндровой установке УИТ-65 или аналогичной, с переменной степенью сжатия при работе ее на режимах исследовательского метода. Октановое число выше 100 указывает на то, что в изооктан необходимо добавить определенное количество тетраэтилсвинца (табл.1), чтобы полученная смесь была эквивалентна по интенсивности детонации испытуемому топливу при сравнении их в условиях испытания по данному методу.

Недостатком такого способа является то, что тетраэтилсвинец относится к ядовитым высокотоксичным веществам, его применение требует специальной подготовки персонала, использования защитных средств и сопряжено с целым рядом дополнительных затрат для соблюдения жестких санитарно-гигиенических ограничений. В последние годы международные требования к автомобильному транспорту, направленные на уменьшение загрязнения окружающей среды продуктами сгорания автомобильных топлив, привели к необходимости исключения из применения высокотоксичных присадок на основе тетраэтилсвинца из состава топлив и соответственно исключения их из технологий производства автомобильных бензинов. С 1 июля 2003 года в соответствии с федеральным законом Российской Федерации №34-ФЗ от 22 марта 2003 года этиловая жидкость исключена из технологии компаундирования автомобильных бензинов для всех производителей, запрещено их применение и экспорт. Определилась необходимость, экологическая и экономическая целесообразность перехода на технологию, исключающую применение высокотоксичного тетраэтилсвинца не только в составе бензинов, но и в операциях контроля их качества.

Задачей предлагаемого изобретения является разработка способа оценки детонационной стойкости автомобильных бензинов с октановым числом выше 100 единиц, характеризующегося достоверностью и позволяющего проводить определение октанового числа с использованием эталонных смесей с допустимой степенью токсичности, исключая применение высокотоксичного тетраэтилсвинца.

Поставленная задача решается предлагаемым способом оценки детонационной стойкости автомобильных бензинов, имеющих октановые числа выше 100 единиц, выраженной октановым числом, включающим сравнение детонационной стойкости испытуемого бензина с выраженной октановым числом детонационной стойкостью эталонных топлив при испытаниях на одноцилиндровой установке с переменной степенью сжатия при работе ее в режимах исследовательского метода. Способ отличается тем, что октановое число испытуемого бензина оценивают по шкале эталонных смесей с изооктаном высокооктановых ароматических соединений с октановым числом свыше 110 единиц, получаемой путем монотонного перехода от шкалы смесей изооктана с нормальным гептаном, при котором определяют зависимость октанового числа смешения высокооктанового органического соединения от его концентрации в смеси по данным испытаний не менее 4-х смесей его с изооктаном и нормальным гептаном, у которых детонационная стойкость равномерно распределена в диапазоне 85-99 единиц октанового числа, причем указанная зависимость является линейной, а в качестве данных испытаний указанных смесей используют среднее значение октановых чисел по исследовательскому методу и октановое число смешения ароматического соединения для каждой смеси.

В качестве высокооктановых ароматических соединений предлагается использовать толуол, ксилол, кумол, которые применяют в технологии компаундирования бензинов, и их смеси с ароматическими аминами, обладающими высокими антидетонационными свойствами, однако предпочтительнее использовать толуол в пределах до 60 об.% или его композицию с ароматическим амином. Например, предлагается использовать композицию толуола с монометиланилином в пределах до 15 об.%, при этом композиция содержит до 20 мас.% монометиланилина. Можно использовать ксилол в пределах до 80 об.%.

Значение октанового числа образца рассчитывают как октановое число смеси ароматического соединения с изооктаном, эквивалентное по интенсивности детонации испытуемому образцу.

При оценке детонационной стойкости для образца бензина определяют эквивалентную по интенсивности детонации эталонную смесь, детонационная стойкость которой выражена октановым числом по шкале эталонных смесей высокооктановых ароматических соединений с октановым числом выше 110 единиц с изооктаном. Определение эквивалентности по интенсивности детонации проводят при испытаниях сравниваемых топлив на одноцилиндровой установке с переменной степенью сжатия в условиях исследовательского метода (ГОСТ 8226-82).

Переход к новой шкале позволяет отказаться от применения тетраэтилсвинца, что существенно улучшает санитарно-гигиенические условия работы по контролю детонационной стойкости.

Как указывалось выше, из ароматических соединений более предпочтителен толуол, поскольку он меньше, чем ксилол и кумол, отличается от изооктана по температуре кипения, что обеспечивает более равномерное смешение при смесеобразовании на впуске. Смеси толуола с изооктаном по токсичности относятся к 4 классу, правила обращения с ними полностью соответствуют правилам обращения с неэтилированными бензинами.

Для установления монотонного перехода от шкалы смесей изооктана с нормальном гептаном к шкале смесей изооктана с ароматическими соединениями, отвечающего определенному значению, предлагается следующая процедура:

- определяют октановые числа четырех смесей ароматического соединения с гептаном и изооктаном, октановые числа которых равномерно распределены в диапазоне 85-99 единиц;

- рассчитывают среднее значение октановых чисел 4 смесей по исследовательскому методу

- рассчитывают для каждой из 4 смесей октановое число смешения ароматического соединения ВОЧ_i и среднее значение

- по 4 значениям определяют коэффициент «К» как наклон линии линейной регрессии в зависимости октанового числа смешения ароматического соединения ВОЧ_i от ОЧИ_i смеси;

- рассчитывают октановое число смешения ароматического соединения для октановых чисел выше 100 единиц (ОЧИ_х) по формуле:

- рассчитывают для значений ОЧИ_х выше 100 содержание ароматического соединения ( об.%) «С» в смеси с изооктаном по формуле:

а при оценке ОЧИ_х выше 100 при известном объемном содержании ароматического соединения в смеси с изооктаном соответственно по выражению:

По формуле 2 рассчитывают значения содержание ароматического соединения в смеси с изооктаном для шкалы октановых чисел в диапазоне до 110 единиц. В таблицах 2, 3 и 4 приведены соответственно шкалы, полученные для толуола, ксилола и смеси толуола с монометиланилином. Шкалы позволяют оценивать октановые числа выше 100 единиц аналогично ранее принятой шкале (таблица 1), где изменение октанового числа достигалось за счет изменения концентрации тетраэтилсвинца.

В таблице 5 приведены также примеры определений детонационной стойкости образцов топлив с октановым числом по исследовательскому методу выше 100 единиц с использование предлагаемой в таблице 2 шкалы эталонов. Приведены две эталонные смеси, использованные при проведении определения октанового числа процедурой «взятия в вилку», т.е. испытанием на двух эталонных смесях, имеющих уровень по прибору для оценки интенсивности детонации меньше и больше, чем испытуемый образец. Каждой эталонной смеси присвоено октановое число в соответствии с таблицей 1. Методом линейной интерполяции для зависимости октанового числа от интенсивности детонации рассчитывается значение октанового числа образца. Для сравнения в таблице 5 приведены значения октановых чисел, полученных по ГОСТ 8226 с использованием шкалы эталонов с тетраэтилсвинцом (прототип). Как следует из полученных данных, различия в оценках не выходят за пределы погрешности метода. Применение новой шкалы позволит изъять из технологии контроля качества опасный в обращении ТЭС.

Таблица 1Зависимость между содержанием ТЭС в изооктане и октановым числом выше 100Октановое числоСодержание ТЭС в изооктане, см³/кгОктановое число в десятых долях0,00,10,20,30,40,50,60,70,80,91000,00000,00280,00570,00860,01140,01420,01700,01980,02260,02541010,02840,03140,03440,03740,04040,04340,04650,04970,05300,05641020,05990,06340,06700,07050,07400,07750,08090,08450,08800,09141030,09520,09900,10280,10680,11070,11450,11840,12230,12630,13031040,13440,13830,14280,14720,15160,15600,16030,16480,16920,17351050,17800,18240,18720,19200,19680,20160,20630,21100,21580,22061060,22540,23000,23540,24100,24660,25220,25780,26340,26890,27471070,28050,28660,29270,29860,30470,31070,31680,32300,32920,33541080,34160,34820,35500,36200,36880,37550,38220,38920,39640,40341090,41040,41760,42500,43250,44030,44800,45580,46350,47140,47951100,4876         

Таблица 2Зависимость между содержанием толуола в смеси с изооктаном и октановым числом выше 100Октановое
числоСодержание толуола в смеси с изооктаном, об.%Октановое число в десятых долях0,00,10,20,30,40,50,60,70,80,910000,50,91,41,82,32,83,23,74,21014,75,15,66,16,67,17,68,18,69,11029,610,110,611,111,612,112,613,113,614,210314,715,215,816,316,817,417,918,419,019,510420,120,621,221,822,322,923,524,024,625,210525,826,426,927,528,128,729,329,930,531,110631,832,433,033,634,234,935,536,136,837,410738,138,739,440,040,741,442,042,743,444,010844,745,446,146,847,548,248,949,650,351,110951,852,553,354,054,755,556,257,057,758,511059,3         

Таблица 3Зависимость между содержанием ксилола в смеси с изооктаном и октановым числом выше 100Октановое
числоСодержание ксилола в смеси с изооктаном, об.%Октановое число в десятых долях0,00,10,20,30,40,50,60,70,80,91000,00,51,01,62,12,63,13,74,24,81015,35,86,46,97,58,18,69,29,710,310210,911,512,012,613,213,814,415,015,616,210316,817,418,018,619,219,820,521,121,722,410423,023,624,324,725,426,026,727,428,028,710529,630,330,931,632,333,033,734,435,135,810636,637,338,038,739,540,240,941,742,443,210744,044,745,546,347,147,848,649,450,251,010851,852,653,554,355,156,056,857,658,559,410960,261,162,062,863,764,665,566,467,368,211069,2         

Таблица 4Зависимость между содержанием высокооктановой ароматической композиции, содержащей 80 мас.% толуола+20 мас.% монометиланилина, в смеси с изооктаном, и октановым числом выше 100Октановое числоСодержание высокооктановой ароматической композиции (содержащей 80 мас.% толуола + 20 мас.% монометиланилина), в смеси с изооктаном, об.%Октановое число в десятых долях0,00,10,20,30,40,50,60,70,80,91000,000,130,260,400,530,660,790,931,061,191011,321,451,591,721,851,982,122,252,382,511022,642,782,913,043,173,313,443,573,703,831033,974,104,234,364,494,634,764,895,025,161045,295,425,555,685,825,956,086,216,356,481056,616,746,877,017,147,277,407,547,677,801067,938,068,208,338,468,598,738,868,999,121079,259,399,529,659,789,9210,0510,1810,3110,4410810,5810,7110,8410,9711,1111,2411,3711,5011,6311,7710911,9012,0312,1612,3012,4312,5612,6912,8212,9613,0911013,22         

Таблица 5Примеры определения октановых чисел выше 100 с использованием различных шкал№ п/пОбразецЭталонные смеси: содержание толуола в смеси с изооктаном, об.%ОЧИОЧИ по ГОСТ 8226 на смесях с ТЭС1Автомобильный бензин СТ 1026,112,1102,2102,02Топливная композиция №13,26,1100,9101,03Топливная композиция №212Д17,4102,9102,84Топливная
композиция №319,024,0105,3104,85Автомобильный бензин СТ 10625,838,1106,1106,4Примечание: СТ - специальные топлива для форсированных (гоночных) автомобилей.

Изобретение относится к контролю качества нефтепродуктов, в частности к оценке детонационной стойкости автомобильных бензинов. Способ оценки детонационной стойкости автомобильных бензинов, имеющих октановые числа свыше 100 единиц, выраженной октановым числом, включает сравнение детонационной стойкости испытуемого бензина с выраженной октановым числом детонационной стойкостью эталонных топлив при испытаниях на одноцилиндровой установке с переменной степенью сжатия при работе ее в режимах исследовательского метода, причем октановое число испытуемого бензина оценивают по шкале эталонных смесей с изооктаном высокооктановых ароматических соединений с октановым числом свыше 110 единиц, получаемой путем монотонного перехода от шкалы смесей изооктана с нормальным гептаном, при котором определяют зависимость октанового числа смешения высокооктанового органического соединения от его концентрации в смеси по данным испытаний не менее 4-х смесей его с изооктаном и нормальным гептаном, у которых детонационная стойкость равномерно распределена в диапазоне 85-99 единиц октанового числа, причем указанная зависимость является линейной, а в качестве данных испытаний указанных смесей используют среднее значение октановых чисел по исследовательскому методу и октановое число смешения ароматического соединения для каждой смеси. Достигается обеспечение достоверности и повышение безопасности определения. 5 з.п. ф-лы, 5 табл.

1. Способ оценки детонационной стойкости автомобильных бензинов, имеющих октановые числа свыше 100 единиц, выраженной октановым числом, включающий сравнение детонационной стойкости испытуемого бензина с выраженной октановым числом детонационной стойкостью эталонных топлив при испытаниях на одноцилиндровой установке с переменной степенью сжатия при работе ее в режимах исследовательского метода, отличающийся тем, что октановое число испытуемого бензина оценивают по шкале эталонных смесей с изооктаном высокооктановых ароматических соединений с октановым числом свыше 110 единиц, получаемой путем монотонного перехода от шкалы смесей изооктана с нормальным гептаном, при котором определяют зависимость октанового числа смешения высокооктанового органического соединения от его концентрации в смеси по данным испытаний не менее 4-х смесей его с изооктаном и нормальным гептаном, у которых детонационная стойкость равномерно распределена в диапазоне 85-99 единиц октанового числа, причем указанная зависимость является линейной, а в качестве данных испытаний указанных смесей используют среднее значение октановых чисел по исследовательскому методу и октановое число смешения ароматического соединения для каждой смеси.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве высокооктанового ароматического соединения применяют толуол в пределах до 60 об.%.3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве высокооктанового ароматического соединения применяют ксилол в пределах до 80 об.%.4. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве высокооктанового ароматического соединения применяют композицию толуола с монометиланилином в пределах до 15 об.%.5. Способ по п.4, отличающийся тем, что композиция толуола с монометиланилином содержит до 20 мас.% монометиланилина.6. Способ по п.1, отличающийся тем, что значение октанового числа образца рассчитывают как октановое число смеси ароматического соединения с изооктаном, эквивалентное по интенсивности детонации испытуемому образцу.