[1] 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.
[2] 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.
[3] На практике детонационную стойкость бензинов оценивают октановыми числами (ОЧ).
[4] 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].
[5] 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].
[6] Существенным недостатком
спектрального метода является отсутствие чувствительности к добавлению присадок, повышающих октановое число бензинов. Это приводит к низкой точности измерений.
[7] Известен также способ
определения октанового числа топлив, по которому подают воздух и топливо в сферический реактор, нагретый до 280-320oС. После окончания реакции холоднопламенного окисления октановое число
определяют по максимальному значению температуры реакции холоднопламенного окисления топлива [4].
[8] 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.
[9] 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].
[10] 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.
[11] 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.
[12]
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=20oС, м/с; V2 - скорость
распространения ультразвуковой волны в бензине при температуре t2= 40oC, м/c.
[13] 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.
[14] Возможная
техническая реализация предлагаемого способа показана на установке, приведенной на чертеже.
[15] 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 60oС.
[16] Полученные результаты приведены в таблице.
[17] 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=20oС и t2=40oС. Формула имеет вид:
где ОЧ(АИ) - октановое число бензина, соответствующее октановому числу бензина, определенному
исследовательским методом; V1 - скорость распространения ультразвуковой волны в бензине при 20oС, м/с; V2 - скорость, распространения ультразвуковой волны в бензине
при 40oС м/с. Расчет можно производить как вручную, так и с помощью ЭВМ, программу для которой несложно составить на основе предложенной формулы.
[18] 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.
[19] Источники информации
1.
Покровский Г.П., Топливо, смазочные материалы и охлаждающие жидкости, М.: Машиностроение, 1985, с.35-37.
[20] 2. Авт. свид. СССР 1416909, кл. G 01 N 33/22, М., 1986.
[21] 3.
Патент США 5349188, G 01, N 21/35.
[22] 4. Авт. свид. СССР 1245975, кл. G 01 N 25/20, М., 1983.
[23] 5. Патент РФ 2100803, кл. G 01 N 27/22, 33/22, М., 1997.
[24] 6.
Каневский И. Н., Фокусирование звуковых и ультразвуковых волн., М.: Наука, 1977.
