Тесты топлив.

Осенью 2013 года возникла идея поставить один эксперимент, эксперимент этот следовало бы конечно поставить еще раньше, но все как то руки не доходили. Собственно идея состоит в следующем - берем двигатель, и заливаем в него в качестве топлива ВСЕ ЧТО ГОРИТ в прямом смысле этого слова! Далее автоматически настраиваем его (включая работы с углами) и производим замер мощности по методике измерения ускорения коленчатого вала, поскольку абсолютные значения мощности измерить точно нельзя - результаты можно оформить в относительных единицах, сравнивая 2 разных топлива.  

В качестве подопытного двигателя решено было использовать достаточно изученный и популярный в нашей стране ВАЗ-21126 (с а.м. приора). Двигатель был снят с товарной машины. Штатная система управления и топливная система демонтированы, в замен установлена система управления на базе ЭБУ Январь-5.1 с проводкой 21103-11, топливная рампа с обратной магистралью, регулятор давления на 300кПа. Форсунки были установлены с одного из двигателей Toyota производительность 220сс. Бензонасос был взят от ГАЗ производительность 150л.ч. В качестве топливного бака использовалась емкость 2л которую можно было быстро заменять. 

В качестве топлив выступали абсолютно различные технические жидкости доступные в автомобильных и хозяйственных магазинах и на рынках а так же различные марки бензинов включая особенно популярные спортивные бензины и смеси из различных компонентов. В программу тестов так же было включено исследование влияния незначительных (5-10% по массе *) количеств растворителей на детонационные свойства товарного бензина АИ92.

Перед началом тестов двигатель прогревался в течении минимум 30 минут на товарном бензине АИ98, после этого топливная система продувалась, заливалась тестовая топливная смесь, двигатель работал еще 5 минут для выработки остатков топлива, и только после этого производились необходимые настройки и замеры. Замеры используемые в дальнейшем для сравнения, проводились в течении одного часа, в один и тот же день! По окончании работ двигатель снова переводился на товарный бензин для промывки топливной системы от компонентов растворителей и спиртов для исключения коррозии ее элементов.

Коротко напишу о методике настройки УОЗ двигателя (более подробно она описана тут). При настройке использовался критерий MBT (minimum timing for best torque) при этом зачастую детонация полностью игнорировалась т.е. если увеличение УОЗ давало значительный рост момента на валу - настройка и замер производится именно с увеличенным УОЗ хотя фактически такой УОЗ не мог быть использован. Только в случае очень интенсивной детонации (которая могла повредить двигатель) УОЗ снижался от оптимального. Это было необходимо, чтоб абстрагировать результаты тестов от конкретного двигателя, и таким образом сравнивать именно сами топлива. Впрочем в некоторых тестах (с товарными бензинами) стояла обратная задача - проверить работу конкретного топлива в конкретных двигателях, в этих случаях двигатель настраивался с учетом границ детонации.

Критерии подбора топлив.

Очевидно, что к топливам на этапе отбора необходимо предъявить некоторые требования, т.е. мы должны задать себе вопрос - почему мы должны ездить на чем то а не на бензине с заправки?! и обоснованно ответить на него. Например одним из таких критериев могла бы быть цена. Речь тут конечно не идет о цене товарных бензинов. - т.е. конечно если бы мы нашли топливо эффективнее бензина и дешевле его (с учетом разницы в расходе) - то конечно надо было перейти на него. Для товарных бензинов такую замену найти сложно, играют роль и факторы цены и распространенности, но в случае со спортивными бензинами - где стоимость литра может достигать 500т рублей и даже превышать его, а распространенность стремится к нулю все уже становится далеко не так однозначно. Еще интересен вариант скажем использования дешевого АИ80-АИ93 в случае если его октановое число могло бы быть легко повышено до АИ98. Интересны высокоэнергетические топлива и топлива с высокими октановыми числами а так же добавки.

Выбраковка по октановому числу.

Для любого из тестируемых топлив был задан формальный критерий - отсутствия интенсивной детонации при том, что УОЗ во всех областях фактической работы ДВС не должен опускаться менее чем 5 угловых градусов. В случае если с таким УОЗ наблюдалась интенсивная детонация при открытии дросселя - топливо признавалось непригодным для эксплуатации. Такими топливами оказались: Сольвент, Керосин ТС-1, и Индустриальный обезжириватель. Не смотря на то, что их низкие октановые числа были известны заранее - они все же были испытаны в двигателе. Однако не советую вам их заливать бак в даже чтоб "доехать", если конечно это не вопрос жизни и смерти... 

АИ93 vs АИ98.

В качестве товарных бензинов были выбраны три вида топлива купленных на одной заправке. Но сравнительные тесты проводились только между АИ93 и АИ98. Мощность на этих бензинах можно считать одинаковой в пределах погрешности измерений, а вот в моменте в области низких оборотов разница почти 10НМ в пользу 98-го.

УОЗ находился на грани детонации для АИ98 и далеко за гранью АИ93 - разница составила около 5 градусов в области низких оборотов. Фактически весь эффект только за счет неоптимальной для АИ93 степени сжатия.

АИ93 + 10% МТБЭ с АИ98.

Достаточно интересный эффект дала добавка МТБЭ к АИ93 - в частности мы видим незначительное падение мощности, детонация прекратилась, однако эффективный УОЗ остался прежним в обоих случаях. Из этого следует что эффективный УОЗ в основном определяется базовым компонентом топлива а не незначительными добавками - т.е. зависит только от химизма его горения. Различные антидетонационные добавки влияют только на детонационный порог - эффективный же УОЗ они никак не меняют.

Растворитель Р-4. 

Состав (по ТУ) Толуол-62% Бутилацетат-12% Ацетон-26%. Фактический состав как вы понимаете не известен. Фактическая плотность 720 г/л. Коэффициент коррекции времени впрыска относительно базового АИ98 получился =1.11 

Добавка 10%(масс) к АИ93 практически не изменяет ни октановое число ни стехиометрию - и углы зажигания выходят те же. 

Добавка 10%(масс) к АИ98 то же самое но есть небольшое увеличение угла (пара градусов) и мощности (1%) - в пределах погрешности измерений метода. 

Чистый P4 - угол остается таким же как на 90% АИ98-10% Р4. т.е. условия горения те же. рост мощности 1%. - в пределах погрешности измерений. незначительное падение момента внизу.

Выводы по Р4:
1) условия горения чистого Р4 близки к бензину АИ98.
1) очень слабо влияет на смесь.(положительное качество).
2) практически не влияет на УОЗ.
3) никак не влияет на мощность.
4) как антидетонатор абсолютно не пригоден - смысла добавки к низко октановым топливам нет. В получаемых топливах отсутствует тенденция роста ОЧ.
5) Возможно имеет смысл применение чистого Р4 для турбо двигателей без настройки. Либо смесей с высококачекственными бензинами - при этом рост мощности обеспечивается за счет обеднения смеси, рост надежности за счет высоких ОЧ. 

Ацетон.

Наиболее популярная народная антидетонационная присадка - обычно используется в концентрации бутылка-другая на бак. Действительно проявляет слабо выраженные антидетонационные свойства. С мощностью при этом все плохо - она падает. Добавление 10% в АИ98 вызывает падение мощности на 3% падение УОЗ на 2-3 градуса в зоне средних оборотов и увеличение в зоне низких. общая жесткость работы двигателя тем не менее снижается. т.е. слабые антидетонационные свойства проявляются. Добавление 10% в АИ93 практически ничего не меняет. падение мощности 1%. УОЗ не меняется и все еще находится на границе детонации. антидетонационные свойства тем не менее проявляются (снижается жесткость работы двигателя - примерно соответствует жесткости при работе на АИ93+10% МТБЭ). Чистый ацетон в сравнении с АИ98 - угол в среднем повышается на 10 градусов. Мощность растет на 2%.

Q16 vs АИ98

Интересное сравнение бензина с заправки с одним из популярных спортивных бензинов VP Q16, так сказать показывает, за что берутся деньги, разница в цене этих бензинов - ровно 1 порядок. А вот эффекта наплакал кот.

И так как видно из графика на Q16 рост мощности 1% по всей поверхности до пика мощности - далее 1% падение мощности. А вот УОЗ отличается очень значительно. Рост УОЗ - до 17 градусов на низких оборотах, 9 градусов на средних оборотах, 17 градусов на высоких оборотах. Как вы понимаете никакой детонации на Q16 нет и быть не может. 

Абсолютно идентичный результат (в том числе по углам) был получен при сравнении чистого МТБЭ с АИ98.  

Растворитель 650 vs АИ98:

650й растворитель довольно популярная жидкость - ее легко можно купить в любом магазине запчастей. Стехиометрия значительно отличается от бензинов, для работы на растворителе требуется коррекция подачи топлива примерно = 1.388 и другие форсунки. В целом рост мощности около 2% на высоких оборотах. Рост УОЗ - 10-12 градусов по всей поверхности. Интересно не правда ли - особенно в сравнении с Q16...

Метанол vs АИ98:

Коррекция подачи топлива = 1.843 рост мощности довольно значительный 4% на высоких оборотах - на низких наоборот небольшое падение. Эффективный УОЗ в среднем увеличился на 10-12 градусов по всей поверхности. Жесткость работы двигателя значительно снизилась. Наблюдается рост мехпотерь.. по видимому связанный с тепловым балансом в цпг. т.е. индикаторная мощность рост 5%. В целом же метанол в этом двигателе ведет себя явно лучше, чем спортивные бензины.

АИ95+20% метанола vs АИ95:

АИ95+50% метанола vs АИ95:

Рост мощности около 7% Рост УОЗ - 15 градусов по всей поверхности. Достаточно интересный эффект - рост мощности при добавке 50% метанола к чистому АИ95 такой же как и на 100% метаноле. Давайте сравним их и подумаем почему так происходит.

АИ95+50% метанола vs метанол:

И так мощность почти одинаковая, эффективный УОЗ незначительно различается на низких оборотах. на метаноле раньше на 3 градуса. в общем и целом очень высокий. Жесткость работы двигателя одинаковая. Наблюдается интересный эффект - когда угол доходит до определенного предела мощность уже не растет при дальнейшем добавлении метанола. по видимому делать угол раньше чем на метаноле принципиально не имеет никакого смысла и езда на чистом метаноле тоже занятие довольно бессмысленное. 

Этанол vs АИ98.

Поправка подачи =1.68 Рост мощности 2%, угла снизу 10 градусов сверху почти нет разницы. Как мы видим этанол явно проигрывает метанолу. Причиной этого может быть высокое содержание воды. 

Немножко нудной теории.

Начнем с старой доброй аксиомы: Мощность абстрактного двигателя на углеводородном топливе с искровым зажиганием определяется только расходом воздуха. Насколько она справедлива?!  Я набросал в excel достаточно простенькую табличку, позволяющую рассчитывать удельную теплоту сгорания и стехиометрию для различных веществ - популярных автомобильных топлив и добавок, просто вводом их состава, по методике предложенной Д.И. Менделеевым. Затем делением удельной теплоты на стехиометрию можно получить теплоту выделяемую данным топливом при полном сгорании в 1кг потребленного двигателя воздуха. Ну а последняя строка это собственно и есть результат - как это топливо отличается от бензина в %.

Первое, что мы можем заметить - ароматические углеводороды, которые мы считаем высококалорийными как вещества, для ДВС совсем таковыми не являются, их калорийность по расходу воздуха примерно такая же как у обычного бензина. т.е. в общем случае если дедушка Менделеев был прав - никакой связи между соотношением углерод-водород структурой молекулы и мощностью двигателя нет, и старое доброе правило прекрасно работает. Высокооктановая добавка МТБЭ которая наиболее часто встречается в топливе тоже не страдает от лишней калорийности. Незначительно выделяются ароматические амины. Но значимое различие всего у двух групп - спирты, и нитросоединения. Причем наиболее калорийным для двигателя являются первые члены этих групп - метанол и нитрометан (топливо top fuel). На закуску идет популярное ракетное топливо - гидразин (как вы понимаете вещество сильно ядовито и применятся в двигателях не может но формально это жидкость и в табличке выглядит неплохо). 

Конечно существуют и другие эффекты но они не оказывают значительного влияния - например замещение воздуха топливом. В жидком виде разница плотностей воздуха и топлива с учетом стехиометрии более трех порядков. Не все однозначно и с эффектом охлаждения смеси при испарении топлива с высокой удельной теплотой парообразования, например того же метанола - у которого давление насыщенных паров не линейно связано с температурой, таким образом процессы испарения-конденсации в конце концов будут находится в равновесии с некоторой конечной температурой (зависящей от давления), и фактически в испаренном состоянии может находится очень небольшая доля топлива. А при повышении давления во впуске (наддув) ситуация еще более усугубляется... Это может объяснить почему метанол в смеси с бензином работает так же хорошо как и чистый метанол, а возможно (при правильной концентрации) даже лучше.

Теперь давайте обратим внимание на стехиометрической соотношение топлив которые действительно работают, как вы можете заметить, чем больше смысла от топлива тем меньше его стехиометрия, и тем дальше она от наших бензиновых 14.7 Так в ряду бензин-этанол-метанол-нитроэтан-нитрометан стехиометрия падает а мощность растет. Немножко выделяется из этого ряда не содержащий кислорода гидразин (впрочем возможно никуда он не выделяется а просто у меня ошибка в расчетах по азоту - надо проверить). Что же можно сказать о топливах имеющих стехиометрию близкую к бензину? да ничего хорошего! ;) Можно лить их бочками рисовать рекламные проспекты и выигрывать гонки, но мощность то с потолка не возьмется. Мир устроен просто и в нем нет места чудесам, маркетологи способны создать спрос на любой товар,  высшей мерой в этой профессии является создание спроса на товар который на самом деле никому  не нужен, поскольку по сути это МТБЭ иногда c добавками старого доброго тетраэтилсвинца, а все что потом - рассказы про то как "космические корабли бороздят". Если же откуда то вдруг появилась мощность - то это банальное обеднение и при нормальной настройке никто бы даже внимание не обратил.

При написании статьи использовалась информация с http://forums.drom.ru/gt-forum/t1151854842.html

* Все соотношения упоминаемых где либо в тексте - массовые. 

 (с) 2013-2014 Maxi(RPD) копирование материалов без разрешения автора запрещено.