Haditechnikai Szemle 8. (1974)
1974 / 2. szám - NEMZETKÖZI HADITECHNIKAI SZEMLE
Oktánszám Az oktánszám, a benzin kompressziótűrésének mértékegysége megszabja azt a maximális sűrítési arányt, amelynél az égés még normálisan (kopogásmentesen) folyik le. A motorgyártás fejlődése során a szerkesztők a benzinmotorok kompresszió viszonyát állandóan növelték (lásd a táblázatot). A nagyobb kompresszió viszony esetén a fajlagos teljesítmény megnő és jobb termikus hatásfok is elérhető. A kompresszióviszonyt azonban csak bizonyos határig célszerű növelni. Az Egyesült Államokban, amelynek autógyártására a világátlagnál magasabb kompresszióviszony jellemző, az emelkedés az 1958- ban elért 9,3 átlagértéknél megállt és a csúcsérték ma sem haladja meg a 10,5- 11-et. A kompresszióviszony növelésének határt szab a kopogásos égés. Normális körülmények között az égés a gyújtógyertyától indul meg, sebessége 20-60 m/s. Az égés folyamán a lángfront mögötti részek egyre nagyobb nyomás alá kerülnek és hőmérsékletük hirtelen emelkedik. Ha a benzin kompressziótűrése nem megfelelő, a még el nem égett keverékben öngyulladás következik be és ennek gócától új lángfront és nyomáshullám indul ki, amely hirtelen nyomásemelkedést és az eredeti nyomáshullámmal ütközve vibrációt okoz. Az égés sebessége az eredetinek sokszorosára (2000-2500 m/s) nő, robbanásszerűvé válik. A folyamatot éles, kopogó hangjelenség, az üzemi hőmérséklet emelkedése és a teljesítmény csökkenése jellemzi. A nyomásváltozást a sűrítési és munkavégzési ütemben - normális és detonációs égés esetén - az 1. ábra mutatja. A benzint alkotó szénhidrogén-vegyületeknek - kémiai szerkezetüktől függően - különböző a kompressziótűrésük. Az egyes homológ sorokban a szénlánc hosszával a kompressziótűrés csökken. Legkisebb az elágazás nélküli, ún. normál-paraffin szénhidrogének kompressziótűrése. Nagyobb a gyűrűs szénhidrogéneké, ezen a csoporton belül az aromásoké (benzol és származékai) meghaladja a cikloparaffinekét (naftének). Ugyancsak jó az olefinek (egy kettős kötést tartalmazó telítetlen szénhidrogének) kompressziótűrése. A legkompressziótűrőbbek az elágazó szénláncú, ún. izo-paraffinok, ahol az elágazások számával a kompressziótűrés nő. A kopogásos égés kémiai mechanizmusa ma még nem teljesen tisztázott. A legelterjedtebb felfogás szerint a kopogást a szénhidrogének oxidációja során elsődlegesen keletkező hidrogénperoxidok (R-O-O-H) vagy dialkilperoxidok (R-O-O-R) okozzák (R-alkilgyök). A peroxidok instabil vegyületek, amelyek bomlása nagy energiafelszabadulással és új aktív részecskék keletkezésével jár. „Kedvezőtlen” körülmények között (valójában, a kémiai folyamat szempontjából éppenhogy kedvező körülmények ezek) - nagy peroxid-koncentráció, magas hőmérséklet és nyomás - a bomlás láncreakciót indít meg, így az egyes benzinkomponensek kompressziótűrése peroxidképzési hajlamukkal hozható összefüggésbe. Ezt a felfogást igazolja az a tapasztalat, hogy az égéstérbe juttatott dietil-peroxid (C2H5OOC2Hs) vagy etil-hidrogén-peroxid (С2ЩООН) igen kis mennyiségben is rendkívül erős kopogást okoz. Az oktánszám mérése A kompressziótűrés mértékéül szolgáló oktánszám-skála 0-pontja a normál-heptán, 100-as pontja az izo-oktán (szabványos kémiai nevén 2,2,4-tri-metil-pentán). E két szénhidrogén-vegyület megfelelő arányú keveréke adja 0-tól 100-ig az oktánszámetalonokat (tehát pl. a 70 % izo-oktánt és 30 ° C normál-heptánt tartalmazó elegy definíciószerűen 70-es oktánszámú). Ugyancsak 70 az oktánszáma annak a benzinnek, amelynek a kompressziótűrése megegyezik a 70 % izo-oktánt és 30 % normál-heptánt tartalmazó etalon kompressziótűrésével, vagyis a vizsgálóberendezésben szabványos üzemi feltételek között kompressziótűrés szempontjából azonosan viselkednek. A mérés elve az, hogy a vizsgálandó benzint üzem közben összehasonlítják különböző, ismert oktánszámú elegyekkel és amelyikkel kopogás szempontjából azonosan viselkedik, azzal egyezik meg az oktánszáma. Maga az összehasonlítás, vagyis a mérés egy változtatható kompresszióarányú, szabványosított méretű egyhengeres kísérleti motorral történik. A vizsgálati körülményeket: a fordulatszámot, a benzin-levegő keverék összetételét és belépési hőmérsékletét, a hűtővíz hőmérsékletét, az előgyújtást, a szelephézagot a vizsgálati szabvány előírásai szerint kell beállítani. Ezek az előírások az autóbenzinre két vizsgálati módszert határoznak meg, az egyiket kísérleti módszernek (Research Method), a másikat motor módszernek (Motor Method) nevezik. A két eljárás között az eltérés a vizsgálati körülményekben van. A főbb különbségek: a kísérleti oktánszám mérése 600, a motoroktánszám mérése 900 percenkénti fordulatszámon történik, továbbá az utóbbi módszernél a benzin-levegő elegyet 149 C°ra előmelegítik. Ha ugyanannak a benzinnek motormódszerrel mérik az oktánszámát, akkor az eredmény 4-8 egységgel kisebb, mint kísérleti módszerrel meghatározva. A motormódszer tehát szigorúbb. A kísérleti oktánszám (ROSZ) és a motor-oktánszám (MOSZ) közötti különbséget a benzin érzékenységének, szenzitivitásának nevezik. Minél kisebb ez a különbség, annál alkalmasabb a benzin a különböző körülmények közötti üzemeltetésre. 1. ábra: Nyomásváltozás a normális és a detonációs égés során A Magyarországon gyártott benzinfajták jelzése a kísérleti oktánszámot tartalmazza: az E-86 normálbenzin, az ESZ-92 szuperbenzin és az ESZ-98 extra-szuperbenzin kísérleti oktánszáma 86, 92 illetve 98. A szabvány (MSZ 19950-68) előírja a minimális MOSZ értékeket is, amelyek rendre 78, 85, illetve 90. Az egyhengeres motorban végrehajtott laboratóriumi oktánszám-meghatározás - a tapasztalatok szerint - többhengeres motorokra gyakorlati szempontból nem mindig mértékadó. Amíg az egyhengeres motorok mindig a karburátorban képződő azonos forrpont-összetételű robbanókeverékkel járnak, addig a többhengeres motoroknál a hengerekbe különböző forrpontösszetételű benzingőzök jutnak, mert a karburátor és a hengerek közötti szívóvezetékekben frakcionálódás játszódik le. Ennek következtében a karburátorhoz közelebb eső hengerek nehéz benzinpárlatokban dúsabb keveréket kapnak, így az eltérő forrpont-összetétel, illetve kémiai összetétel az egyes hengereknél oktánszámkülönbséget eredményez. Az oktánszám frakció szerinti eloszlásának jellemzésére ezért egy külön mérőszámot, a A R/100 C° értéket vezették be, amely a benzin teljes oktánszámának és 100C°-ig a forró könnyű Év A motorok átlagos kompresszióviszonya 1927 4,55 1930 5,15 1935 5,98 1948 6,87 1967 8,50