1 Η ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΑΣΚΗΣΗ ΠΡΟΣΔΙΟΡΙΣΜΟΣ ΑΡΙΘΜΟΥ ΟΚΤΑΝΙΟΥ (RON MON) ΣΕ ΒΕΝΖΙΝΕΣ ΑΥΤΟΚΙΝΗΤΩΝ ASTM D-2699/12 ASTM D-2700/12

1 1 Η ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΑΣΚΗΣΗ ΠΡΟΣΔΙΟΡΙΣΜΟΣ ΑΡΙΘΜΟΥ ΟΚΤΑΝΙΟΥ (RON MON) ΣΕ ΒΕΝΖΙΝΕΣ ΑΥΤΟΚΙΝΗΤΩΝ ASTM D-2699/12 ASTM D-2700/12 ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΧΗΜΕΙΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΚΑΥΣΙΜΩΝ - ΑΝΑΣΤΑΣΙΑ ΛΑΖΑΡΙΔΟΥ ΤΕΙ ΑΜΘ 1

2 ΑΡΙΘΜΟΣ ΟΚΤΑΝΙΟΥ (Octane Number) ΓΕΝΙΚΑ Η βενζίνη είναι το καύσιμο των μηχανών εσωτερικής καύσης με επιβαλλόμενη ανάφλεξη. Είναι κυρίως μίγμα υδρογονανθράκων που περιλαμβάνει αποστάγματα με περιοχή βρασμού από περίπου 40 έως και 210 oc και περιέχει υδρογονάνθρακες από C4 έως και C11 ανθρακοάτομα. Αποτελεί σήμερα το πολυτιμότερο προϊόν του αργού πετρελαίου. Ως προϊόν το οποίο έχει εκτεταμένη χρήση και πολλές εφαρμογές, η βενζίνη θα πρέπει να ικανοποιεί πολλαπλές απαιτήσεις για τη σωστή λειτουργία ενός κινητήρα. Θα πρέπει να καίγεται γρήγορα ομαλά και πλήρως κάτω από οποιεσδήποτε συνθήκες λειτουργίας μέσα στο θάλαμο καύσης του κινητήρα, για να ελευθερώνει όλο το ενεργειακό περιεχόμενό της (θερμογόνο δύναμη). Κατά την καύση της, δεν θα πρέπει να αφήνει κατάλοιπα στο χώρο καύσης. Θα πρέπει να είναι πτητική και εύκολα να ξεκινά την λειτουργία ενός κινητήρα άσχετα από τις καιρικές συνθήκες που επικρατούν. Θα πρέπει να επιταχύνει γρήγορα όταν αυτό απαιτείται από το πέδιλο επιτάχυνσης (γκάζι) καθώς και Θα πρέπει να παραμένει σταθερή κατά τη διάρκεια της αποθήκευσή της. Όλα αυτά είναι κάποιες σπουδαίες ιδιότητες που θα πρέπει να ικανοποιεί η βενζίνη. Μέτρο της δυνατότητας μιας βενζίνης να καίγεται ομαλά και χωρίς κτυπήματα, να αντιστέκεται δηλαδή σε εκρηκτικές καύσεις, αποτελεί η λεγόμενη αντικροτικότητά της και εκφράζεται με τον αριθμό οκτανίου. ΣΧΕΣΗ ΣΥΜΠΙΕΣΗΣ (ΛΟΓΟΣ ΣΥΜΠΙΕΣΗΣ) ΣΤΟΝ ΚΙΝΗΤΗΡΑ Καθοριστικός παράγοντας για την επιλογή του καυσίμου είναι η σχέση συμπίεσης του κινητήρα. Η συμπίεση επηρεάζει την απόδοση του κινητήρα αλλά και την ποιότητα καύσης. Σχέση συμπίεσης σε ένα θάλαμο καύσης είναι το πηλίκο του κλάσματος, μεταξύ του μέγιστου και του ελάχιστου όγκου που δημιουργείται κατά την κίνηση του εμβόλου (V1/V2). Πρόκειται επομένως για τον λόγο του συνολικού όγκου του κυλίνδρου, συμπεριλαμβανομένου και του θαλάμου καύσης, προς τον όγκο του θαλάμου καύσης μόνο. Για παράδειγμα, αν σε έναν τυπικό θάλαμο καύσης κινητήρα με χωρητικότητα 400 κυβικών εκατοστών, το έμβολο συμπιέζει την χωρητικότητα μέχρι τα 40 κυβικά εκατοστά, τότε έχουμε σχέση συμπίεσης 10:1. Αντίστοιχα, αύξηση του βαθμού ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΧΗΜΕΙΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΚΑΥΣΙΜΩΝ - ΑΝΑΣΤΑΣΙΑ ΛΑΖΑΡΙΔΟΥ ΤΕΙ ΑΜΘ 2

3 συμπίεσης σημαίνει κατά συνέπεια μείωση της χωρητικότητας κατά τη συμπίεση σε λιγότερα κυβικά εκατοστά, για παράδειγμα από 400 σε 30 και επομένως λόγο συμπίεσης περίπου 13:1. Όσο πιο μεγάλος είναι ο βαθμός συμπίεσης τόσο μικρότερος χώρος υπάρχει για την ανάφλεξη του μίγματος και τόσο μεγαλύτερο έργο εκτόνωσης δηλαδή μηχανικό έργο λαμβάνεται στο στροφαλοφόρο άξονα από δεδομένο μίγμα αέρα καυσίμου. Αυτός είναι ο λόγος που οι κινητήρες με υψηλό βαθμό συμπίεσης έχουν και υψηλό βαθμό απόδοσης. Όμως υψηλός βαθμός συμπίεσης απαιτεί και καύσιμο υψηλών οκτανίων. ΦΑΙΝΟΜΕΝΟ ΚΡΟΥΣΤΙΚΗΣ ΚΑΥΣΗΣ (knocking) Αρχικά, το σύστημα παροχής καυσίμου παρέχει μίγμα ατμών καυσίμου και αέρα στο θάλαμο καύσης. Κατά το δεύτερο χρόνο (χρόνο συμπίεσης) του κύκλου λειτουργίας ενός τετράχρονου βενζινοκινητήρα, το ομογενοποιημένο μίγμα συμπιέζεται και γίνεται ανάφλεξη στην επιθυμητή χρονική στιγμή μέσω του σπινθηριστή, λίγο πριν το έμβολο φτάσει στο άνω νεκρό σημείο του κυλίνδρου. Ακολουθεί φυσιολογικά ο χρόνος καύσης στον οποίο χρόνο υπάρχει απότομη αύξηση της πίεσης στο θάλαμο καύσης σπρώχνοντας το έμβολο προς τα κάτω. Tο έμβολο μεταδίδει την ενέργεια στον στροφαλοφόρο άξονα και από εκεί στα κινούμενα μέρη του συστήματος. Στην ομαλή καύση (κανονική καύση), το μέτωπο της φλόγας ξεκινά, με συγκεκριμένη ταχύτητα, από τον σπινθηριστή προς τα τοιχώματα και προχωρώντας καταλαμβάνει όλο το μήκος του θαλάμου καύσης κατά τρόπο ομοιόμορφο (εικ. α). Το φαινόμενο κρουστικής καύσης (ο «κρότος») εμφανίζεται κατά την καύση της βενζίνης, όταν αυτή, λόγω της χαμηλής αντικροτικότητάς της, δηλαδή της μειωμένης ικανότητας σε υψηλή ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΧΗΜΕΙΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΚΑΥΣΙΜΩΝ - ΑΝΑΣΤΑΣΙΑ ΛΑΖΑΡΙΔΟΥ ΤΕΙ ΑΜΘ 3

4 συμπίεση, δεν καίγεται ομαλά αλλά αναφλέγεται πρόωρα (αυτάναφλέγεται), προ του μετώπου της φλόγας, εμφανίζοντας στο χώρο, νέες παράπλευρες εστίες καύσης (εικ. β). Η δημιουργία υψηλών τοπικών πιέσεων, λόγω αυτής της ανώμαλης καύσης και ωστικού κύματος, το οποίο κινείται με μεγάλη ταχύτητα, έχουν σαν συνέπεια την πρόσκρουσή τους στα τοιχώματα του κυλίνδρου και τη δημιουργία ισχυρού μεταλλικού κτύπου γνωστού και ως «κτύπημα ή πυράκια». Ως κύριες αιτίες ανεπιθύμητης κρουστικής καύσης θεωρούνται: Το ακατάλληλο καύσιμο ή καύσιμο με χαμηλό αριθμό οκτανίου Η υψηλότερη συμπίεση του κινητήρα που σημαίνει μεγαλύτερη πίεση και θερμοκρασία στο χώρο καύσης Η αύξηση του φορτίου καθώς επιφέρει αύξηση θερμοκρασίας και πίεσης Η πρόωρη ανάφλεξη του σπινθηριστή Η ανομοιόμορφη κατανομή του μίγματος καυσίμου/αέρα στον χώρο καύσης Η κακή απαγωγή θερμότητας λόγω εναποθέσεων στο θάλαμο καύσης και μείωσης του διαθέσιμου χώρου Η μείωση της απόλυτης υγρασίας του αέρα Ο σχεδιασμός και η κατάσταση του κινητήρα ΣΥΝΕΠΕΙΕΣ ΣΤΟΝ ΚΙΝΗΤΗΡΑ ΑΠΟ ΚΤΥΠΟ ΜΗΧΑΝΗΣ Γενικά η διεργασία της καύσης είναι μια εξαιρετικά βίαια διαδικασία για τον κινητήρα. Αυτή η βία είναι επιθυμητή για την παραγωγή της ισχύος όταν συμβαίνει με πλήρως ελεγχόμενο τρόπο αλλά τελείως ανεπιθύμητη όταν αυτό δεν ελέγχεται διότι δημιουργεί καταστρεπτικά αποτελέσματα στον κινητήρα. Παρατηρείται υπερθέρμανση του σπινθηριστή και του κινητήρα, μείωση της ενεργειακής του απόδοσης και απώλεια ισχύος, φθορά ή καταστροφή πολλών μερών του όπως βαλβίδες, κεφαλές, έμβολα, ή ελαστομερή, θορυβώδεις λειτουργία, αύξηση κατανάλωσης καυσίμου και αύξηση ρύπων. ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΧΗΜΕΙΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΚΑΥΣΙΜΩΝ - ΑΝΑΣΤΑΣΙΑ ΛΑΖΑΡΙΔΟΥ ΤΕΙ ΑΜΘ 4

5 ΣΧΕΣΗ ΑΝΤΙΚΡΟΤΙΚΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΕΙΔΟΣ ΥΔΡΟΓΟΝΑΝΘΡΑΚΩΝ Η αντικροτική ικανότητα μιας βενζίνης, δηλαδή ο αριθμός οκτανίου εξαρτάται από το είδος και τη μοριακή δομή των υδρογονανθράκων που υπάρχουν σε αυτήν (η- και iso-παραφίνες, ολεφίνες, ναφθένια και αρωματικά). Έτσι, οι n- παραφίνες έχουν τους χαμηλότερος αριθμούς οκτανίου και οι iso-παραφίνες μαζί με τους αρωματικούς τους υψηλότερους. Σε μια ομόλογο σειρά υδρογονανθράκων (π.χ. n-, iso-παραφίνες, ολεφίνες, ναφθένια ή αρωματικά) ο αριθμός οκτανίου μειώνεται με αύξηση του μεγέθους του μορίου. Στις n-παραφίνες ο αριθμός οκτανίου μειώνεται, όσο μεγαλώνει το μέγεθος του μορίου τους. Για iso-παραφίνες με ίσο αριθμό ανθρακοατόμων, ο αριθμός οκτανίου αυξάνεται, όσο περισσότερες διακλαδώσεις φέρουν αυτές. Τα ναφθένια (κυκλοαλκάνια) και οι ολεφίνες βρίσκονται μεταξύ των αντίστοιχων n-παραφινών και των iso-παραφινών και αρωματικών υδρογ/κων. Γενικά όσο πιο συμπαγές είναι το μόριο, τόσο πιο ανθεκτικό είναι στην αυτανάφλεξη. Για διαφορετικούς υδρογονάνθρακες με ίσο αριθμό ανθρακοατόμων, οι αριθμοί οκτανίου τους, μεταβάλλονται σύμφωνα με τη σειρά: n-παραφίνες < ναφθένια < iso-παραφίνες < αρωματικά Πίνακας 1. Αριθμοί οκτανίου ενδεικτικών συστατικών βενζινών RON MON RON-MON n-παραφίνες Αιθάνιο 112 101 11 Προπάνιο 111 97 4 Βουτάνιο 94 89 5 Πεντάνιο 62 62 0 Εξάνιο 25 26-1 Επτάνιο 0 0 0 Οκτάνιο -19-15 Εννεάνιο -17-20 Ναφθένια Κυκλοπεντάνιο 102,5 85,0 17,5 Κυκλοεξάνιο 39,0 40,0-1 ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΧΗΜΕΙΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΚΑΥΣΙΜΩΝ - ΑΝΑΣΤΑΣΙΑ ΛΑΖΑΡΙΔΟΥ ΤΕΙ ΑΜΘ 5

6 Μεθυλοκυκλοπεντάνιο 91,5 80,0 11,5 iso-παραφίνες 2-μέθυλο-προπάνιο (ισοβουτάνιο) 100,0 97,5 2,5 2-μεθυλο-βουτάνιο (ισοπεντάνιο) 92,5 90,3 2 2-μεθυλο-πεντάνιο (ισοεξάνιο) 73,5 73,5 0 2,3-διμεθυλο-βουτάνιο 103,5 94,5 9 2-μεθυλο-εξάνιο 42,4 46,4-4 2-μεθυλο-επτάνιο 22 24-2 2,2,4-τριμεθυλο-πεντάνιο (iso-οκτάνιο) 100 100 0 Ολεφίνες n-πεντένιο-1 91 77 14 n-εξένιο-1 76,5 63,5 13 n-επτένιο-1 54,5 50,7 3,8 n-οκτένιο-1 28,5 34,7-6,2 Οκτένιο-3 (trans) 72,5 68,1 4,4 4-μεθυλο-1-πεντένιο 95.7 80.9 14,8 Αρωματικά Βενζόλιο - 114,8 Τολουόλιο 120,1 103,5 p-ξυλόλιο 117,0 111,0 m-ξυλόλιο 118,0 115,0 o-ξυλόλιο 120,0 102,0 Αιθυλο-βενζόλιο 107,4 97,9 Ο αριθμός οκτανίου ενός μίγματος όπως είναι οι βενζίνες, εξαρτάται από τους αριθμούς οκτανίου των επιμέρους συστατικών του μίγματος, αλλά και από την αλληλεπίδραση που έχουν τα συστατικά μεταξύ τους στο μίγμα (μη αθροιστική ιδιότητα). Έτσι, αρκούν πολλές φορές μικρές ποσότητες μιας ένωσης (π.χ. ενός συστατικού ως πρόσθετο ή ένα πρόσθετο), για να αυξήσουν δραστικά τον αριθμό οκτανίου ενός μίγματος. ΒΕΛΤΙΩΣΗ ΑΝΤΙΚΡΟΤΙΚΗΣ ΙΚΑΝΟΤΗΤΑΣ ΒΕΝΖΙΝΩΝ Οι ουσίες που προστίθενται στη μονάδα ανάμιξης ενός διυλιστηρίου στις βενζίνες, πριν αυτές διοχετευθούν στην αγορά, ονομάζονται βελτιωτικά ή πρόσθετα αριθμού οκτανίου. Αυτά προστίθενται σε ποσοστό μικρότερο του 1% με σκοπό τη σημαντική βελτίωση των χαρακτηριστικών συμπεριφοράς ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΧΗΜΕΙΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΚΑΥΣΙΜΩΝ - ΑΝΑΣΤΑΣΙΑ ΛΑΖΑΡΙΔΟΥ ΤΕΙ ΑΜΘ 6

7 του καυσίμου. Τα πρόσθετα αυτά μεταθέτουν το κτύπημα σε υψηλότερες τιμές συμπίεσης με αποτέλεσμα την αύξηση του αριθμού οκτανίου. Παλαιότερα χρησιμοποιούταν αλκύλια μολύβδου όπως αυτά του τετρααιθυλιούχου μολύβδου (TEL) ή τετρα-μεθυλιούχου μολύβδου (ΤΜL). Η χρήση αυτών των προσθέτων έχει απαγορευθεί τελείως εδώ και πολλά χρόνια λόγω τοξικότητας και λόγω δηλητηρίασης των καταλυτικών μετατροπέων. Τη θέση των παραπάνω προσθέτων έχουν πάρει στην βενζίνη LRP οργανομεταλλικές ενώσεις του μαγγανίου όπως αυτή του μεθυλοκυκλοπενταδιεννυλο-τρικαρβονυλικό μαγγάνιο (ΜΜΤ) η οποίο δεν είναι τοξική αλλά και αυτή δημιουργεί προβλήματα λόγω εναπόθεσής της στο χώρο καύσης και τους καταλύτες. Στις βενζίνες σήμερα ως αντικροτικά πρόσθετα, χρησιμοποιούνται δύο ομάδες οργανικών οξυγονούχων ενώσεων οι αλκοόλες και οι αιθέρες. Ως αλκοόλες χρησιμοποιούνται η μεθανόλη (MeOH), αιθανόλη (EtOH), ισοπροπυλική αλκοόλη (IPA) και η τριτοταγής βουτιλική αλκοόλη (TBA) με αριθμούς οκτανίων πάνω από 110. Ως αιθέρες χρησιμοποιούνται ο μεθυλοτριτοταγής-βουτυλ-αιθέρας γνωστός ως (ΜΤΒΕ), ο αιθυλο-τριτοταγήςβουτυλ-αιθέρας (ΕΤΒΕ) και ο τριτοταγής αμυλο-μεθυλ-αιθέρας γνωστός ως (ΤΑΜΕ) με αριθμούς οκτανίων κοντά στο 120. ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΧΗΜΕΙΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΚΑΥΣΙΜΩΝ - ΑΝΑΣΤΑΣΙΑ ΛΑΖΑΡΙΔΟΥ ΤΕΙ ΑΜΘ 7

8 1 Η ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΗ ΑΣΚΗΣΗ ΠΡΟΣΔΙΟΡΙΣΜΟΣ ΑΡΙΘΜΟΥ ΟΚΤΑΝΙΟΥ (RON MON) ΣΕ ΒΕΝΖΙΝΕΣ ΑΥΤΟΚΙΝΗΤΩΝ ASTM D-2699/12 ASTM D-2700/12 ΠΡΟΣΔΙΟΡΙΣΜΟΣ ΑΡΙΘΜΟΥ ΟΚΤΑΝΙΟΥ ΣΕ ΠΡΟΤΥΠΟ ΚΙΝΗΤΗΡΑ Ο αριθμός οκτανίου χρησιμοποιήθηκε για πρώτη φορά το 1927 και εκφράζει το μέτρο της αντικροτικότητας ενός καυσίμου, δηλαδή την αντοχή του καυσίμου σε εκρηκτικές καύσεις. Όσο μεγαλύτερος είναι ο αριθμός οκτανίου μιας βενζίνης, τόσο μεγαλύτερη είναι η αντικροτική ικανότητά της, δηλαδή η ανθεκτικότητά της στην υψηλή συμπίεση. ΣΚΟΠΟΣ ΤΗΣ ΜΕΘΟΔΟΥ Η μέθοδος καλύπτει τον προσδιορισμό των χαρακτηριστικών κρότου των βενζινών αυτοκινήτου που χρησιμοποιούν μηχανές ανάφλεξης με σπινθήρα. Η κλίμακα καλύπτει εύρος από 0 έως 120 αριθμό οκτανίου. Οι δοκιμές γίνονται σε εύρος από 40 έως 120. Το καύσιμο δείγμα δοκιμάζεται χρησιμοποιώντας τυποποιημένο μονοκύλινδρο, τετράχρονο κινητήρα CFR, με δυνατότητα μεταβλητής συμπίεσης και καθορισμένο το σύνολο των συνθηκών λειτουργίας του. ΟΡΙΣΜΟΙ Αριθμός οκτανίου: Η μέτρηση της αντίστασης του καυσίμου να προκαλεί κρότο. Αυτό σημαίνει πως ένα καύσιμο εξεταζόμενο στη μηχανή κάτω ακριβώς από τις ίδιες συνθήκες με ένα πρότυπο καύσιμο αναφοράς δίνει την ίδια ένταση κρότου. Καύσιμα αναφοράς: Αυτά είναι το iso-οκτάνιο, το n-επτάνιο και μίγματά τους. Στην κλίμακα του αριθμού οκτανίου, το επτάνιο έχει Α.Ο. 0 και το iso-οκτάνιο (2,2,4 τριμέθυλο-πεντάνιο) αριθμό οκτανίου 100. Το % κατ όγκο του isoοκτανίου σε μίγματα με n-επτάνιο δίνει τους Α.Ο από 0 έως 100. Πρότυπα καύσιμα αναφοράς πάνω από 100 Α.Ο: Αυτά αποτελούνται από isoοκτάνιο και TEL. Πρότυπα καύσιμα αναφορά κάτω από 100 Α.Ο: Αυτά είναι μίγματα isoοκτανίου και n-επτανίου. Μετρητής κτύπου (Knock meter): Μετρητής βαθμονομημένος από 0 έως 100 ανά μονάδα. Ένταση κτύπου (Knock intensity): Μέτρηση του επιπέδου καύσης σε σχέση με την ένταση κτύπου που παράγεται όταν εξετάζεται το καύσιμο. ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΧΗΜΕΙΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΚΑΥΣΙΜΩΝ - ΑΝΑΣΤΑΣΙΑ ΛΑΖΑΡΙΔΟΥ ΤΕΙ ΑΜΘ 8

9 Πρότυπη ένταση κτύπου (Standard knock intensity): Καύσιμο αναφοράς συγκεκριμένου Α.Ο. το οποίο χρησιμοποιείται στην μηχανή σε μέγιστη ένδειξη κρότου, στην καταλληλότερη σχέση αέρα/καυσίμου ώστε να καταγραφεί το επίπεδο του κρότου που παράγεται. Από τη διαδικασία αυτή καταγράφεται η πρότυπη ένταση κτύπου. ΠΕΡΙΛΗΨΗ ΜΕΘΟΔΟΥ Ο αριθμός οκτανίου προσδιορίζεται με σύγκριση της έντασης του κτύπου του άγνωστου δείγματος με την ένταση χτύπου προτύπων αναφοράς γνωστού Α.Ο. σε πρότυπες συνθήκες λειτουργίας πρότυπων μηχανών. Με ρύθμιση της σχέσης συμπίεσης και του λόγου αέρα καυσίμου επιτυγχάνεται η πρότυπη ένταση χτύπου. Στην ίδια συμπίεση και στις ίδιες συνθήκες εξετάζεται και το άγνωστο δείγμα και από την ένδειξη του μετρητή κτύπου (knock meter) υπολογίζεται ο Α.Ο. του αγνώστου. Επομένως, ο αριθμός οκτανίου μιας βενζίνης είναι ένας αριθμός, ο οποίος υποδηλώνει ότι η αναφερόμενη βενζίνη έχει την ίδια αντικροτική ικανότητα, την οποία έχει και ένα δυαδικό μίγμα (πρότυπο) που αποτελείται από iso-οκτάνιο, σε ποσοστό αναλογίας (%-v/v) όσο ο διδόμενος αριθμός οκτανίου και από n- επτάνιο ως δεύτερο συστατικό. Π.χ. αριθμός οκτανίου 98 σημαίνει ότι η αναφερόμενη βενζίνη έχει την ίδια αντικροτική ικανότητα με ένα μίγμα, που αποτελείται από 98 %-v/v iso-οκτάνιο και 2 %-v/v n-επτάνιο. ΚΛΙΜΑΚΑ ΜΕΤΡΗΣΗΣ ΑΡΙΘΜΟΥ ΟΚΤΑΝΙΟΥ Για να βαθμολογηθούν και να συγκριθούν οι διάφοροι τύποι βενζινών καθιερώθηκε η λεγόμενη «κλίμακα οκτανίου». Το n-επτάνιο έχει την χειρότερη αντικροτική ικανότητα στο μίγμα και έχει εκλεγεί αυθαίρετα, για να οριοθετήσει το μηδέν (0) της κλίμακας, έχει δηλαδή εξ ορισμού, αριθμό οκτανίου μηδέν. Το 2,2,4 τριμέθυλο πεντάνιο ή ισο-οκτάνιο έχει την καλύτερη αντικροτική ικανότητα και έχει εκλεγεί και αυτό αυθαίρετα, για να οριοθετήσει το εκατό (100) της κλίμακας του αριθμού οκτανίου. Συστατικό Σ.Τ. ( ο C) Σ.Β. ( ο C) Πυκνότητα (gr/cm3) Θερ.ατμοπ. 25 ο C (MJ/Kg) n-επτάνιο - 90,9 98,4 Ο,684 0,365 iso-οκτάνιο - 107,45 99,3 0,692 0,308 Τα δύο συστατικά επιλέχθηκαν διότι έχουν πολύ κοντινές φυσικές ιδιότητες. ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΧΗΜΕΙΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΚΑΥΣΙΜΩΝ - ΑΝΑΣΤΑΣΙΑ ΛΑΖΑΡΙΔΟΥ ΤΕΙ ΑΜΘ 9

10 ΠΡΟΤΥΠΟΣ ΚΙΝΗΤΗΡΑΣ ΜΕΤΡΗΣΗΣ RON - MON Οι αριθμοί οκτανίου προσδιορίζονται σε ειδικούς πρότυπους μονοκύλινδρους, τετράχρονους κινητήρες (εικ.), που έχουν κατασκευασθεί ειδικά για το σκοπό αυτό. Σε παγκόσμιο επίπεδο γνωστός είναι ο CFR-κινητήρας (Cooperative Fuels Research) ο οποίος έχει τη δυνατότητα να τροποποιεί μηχανικά κατά τη λειτουργία του τη συμπίεση. Διαθέτει συσκευή μέτρησης διαφοράς πίεσης στο θάλαμο καύσης κατά την παρουσία κτύπων καθώς και όργανο μέτρησης κτύπων. Ο κινητήρας ελέγχου μπορεί να λειτουργήσει κάτω από δύο διαφορετικές συνθήκες δοκιμής: 1. Σιγαστήρας θορύβου αναρρόφησης 2. Ψυκτήρας 3. Τρίοδος εξαερωτής 4. Δοχείο εξάτμισης 5. Στρόφαλος ρύθμισης σχέσης συμπίεσης 6. Φίλτρο λαδιού 7. Διακόπτης 8. Συσκευή μέτρησης έντασης κτύπου 9. Δείκτης μέτρησης κτύπου Με σχετικά ήπιες συνθήκες (ερευνητική μέθοδος), 600 στροφές/min και χωρίς προθέρμανση του αναρροφούμενου αέρα. Με τη μέθοδο αυτή(1) προσδιορίζεται ο λεγόμενος ερευνητικός αριθμός οκτανίου RON (Research Octane Number). Με αυστηρότερες συνθήκες (μέθοδος κινητήρα), 900 στροφές/min και με προθέρμανση του αναρροφούμενου αέρα στους 150 oc. Με τη μέθοδο αυτή(2) προσδιορίζεται ο λεγόμενος αριθμός οκτανίου κινητήρα MON (Motor Octane Number). 1 Μέθοδος δοκιμής ASTM D-2699. 2 Μέθοδος δοκιμής ASTM D-2700. ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΧΗΜΕΙΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΚΑΥΣΙΜΩΝ - ΑΝΑΣΤΑΣΙΑ ΛΑΖΑΡΙΔΟΥ ΤΕΙ ΑΜΘ 10

11 ΣΗΜΑΣΙΑ ΚΑΙ ΧΡΗΣΗ Ο Αριθμός οκτανίου είναι η βασικότερη ποιοτική παράμετρος των βενζινών και συμπεριλαμβάνεται σε κάθε προδιαγραφή βενζίνης. Η συγκεκριμένη δοκιμή χρησιμοποιείται από τους κατασκευαστές κινητήρων, από τα διυλιστήρια, το εμπόριο για τη διακίνηση καυσίμων, ως βασική πρωτεύουσα απαίτηση προδιαγραφών για την καταλληλότητα των βενζινών στις αντίστοιχες μηχανές. Οι RON χρησιμοποιούνται συχνότερα από τους ΜΟΝ και αναφέρονται στη συμπεριφορά των μηχανών εσωτερικής καύσης με ανάφλεξη σε χαμηλές ταχύτητες, ενώ οι ΜΟΝ καθορίζουν την αντικροτική ποιότητα της βενζίνης σε υψηλές ταχύτητες. Η αντικροτικότητα όμως της βενζίνης σε πραγματικές συνθήκες δρόμου βρίσκεται συνήθως μεταξύ των δύο αυτών αριθμών. Επειδή οι ΜΟΝ μετριούνται κάτω από αυστηρότερες συνθήκες δοκιμής, είναι κατά κανόνα μικρότεροι από τους αντίστοιχους RON. Η διαφορά μεταξύ των δύο αυτών αριθμών οκτανίου (RON-ΜΟΝ) είναι γνωστή ως ευαισθησία της βενζίνης (sensitivity) και εκφράζει την συμπεριφορά της στις μεταβολές των συνθηκών λειτουργίας του κινητήρα. Μια τυπική βενζίνη με RON 95 και ΜΟΝ 87 έχει κατά συνέπεια ευαισθησία 8. Μεγάλη διαφορά μεταξύ της τιμής RON-MON μιας βενζίνης (μεγάλη ευαισθησία), δηλώνει βενζίνη με υψηλή τάση για κτύπο στον κινητήρα και είναι ανεπιθύμητη. Η παρακάτω εμπειρική σχέση δίνει την αντικροτική συμπεριφορά όλων των βενζινών και αναφέρεται σαν Αντικροτικός Δείκτης = (ΜΟΝ + RON) / 2 Αυτός ο τρόπος προσδιορισμού αριθμού οκτανίου χρησιμοποιείται στην Αμερική, τον Καναδά, την Βραζιλία, ενώ στην Ευρώπη προτιμάται ο αριθμός RON. Εκτός από τους αριθμούς οκτανίου RON και MON υπάρχουν και χρησιμοποιούνται και οι : Οδικός αριθμός οκτανίου SON (Street Octane Number) και Μετωπικός αριθμός οκτανίου FON (Front Octane Number). ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΧΗΜΕΙΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΚΑΥΣΙΜΩΝ - ΑΝΑΣΤΑΣΙΑ ΛΑΖΑΡΙΔΟΥ ΤΕΙ ΑΜΘ 11

12 ΑΛΛΕΣ ΜΕΘΟΔΟΙ ΠΡΟΣΔΙΟΡΙΣΜΟΥ ΑΡΙΘΜΟΥ ΟΚΤΑΝΙΟΥ Προσδιορισμός Αριθμού οκτανίου με αεριο-χρωματογραφικά δεδομένα (GC δεδομένα ανάλυσης). Οι προσδιορισμοί (RON, MON) είναι σχετικά χρονοβόροι και δαπανηροί όταν πρόκειται να γίνουν με τη χρήση πρότυπου κινητήρα (ο πρότυπος κινητήρας ελέγχου κοστίζει σήμερα 300.000 ), ενώ παράλληλα απαιτείται και εξειδικευμένο προσωπικό για τη σωστή λειτουργία του. Όπως αναφέρθηκε παραπάνω, ο Α.Ο. των βενζινών εξαρτάται από το είδος και την ποσότητα των υδρογονανθράκων που περιέχουν. Έτσι κάθε συστατικό ανάμιξης συμβάλλει στην αύξηση του Α.Ο. ανάλογα με τη δομή του και την ποσότητά του στο τελικό μίγμα της βενζίνης. Η αέριο χρωματογραφική ανάλυση είναι μια μοντέρνα μέθοδος ενόργανης ανάλυσης, με τη βοήθεια της οποίας μπορεί να προσδιορισθεί με μεγάλη ακρίβεια και σε σχετικά πολύ μικρό χρονικό διάστημα η σύσταση και η ποσότητα των συστατικών των βενζινών. ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΧΗΜΕΙΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΚΑΥΣΙΜΩΝ - ΑΝΑΣΤΑΣΙΑ ΛΑΖΑΡΙΔΟΥ ΤΕΙ ΑΜΘ 12

13 Ερωτήματα για αυτοαξιολόγηση 1. Ποιες είναι οι βασικές απαιτήσεις που πρέπει να ικανοποιεί μια βενζίνη για τη σωστή λειτουργία ενός κινητήρα; 2. Τι είναι η αντικροτικότητα των βενζινών και πως εκφράζεται; 3. Αρχή λειτουργίας ενός βενζινοκινητήρα. 4. Ποιος είναι ο καθοριστικός παράγοντας επιλογής του τύπου της βενζίνης που θα χρησιμοποιηθεί σε έναν κινητήρα; 5. Τι ονομάζουμε σχέση συμπίεσης στον θάλαμο καύσης ενός κινητήρα και πως εκφράζεται; Τι σημαίνει σχέση συμπίεσης 10:1; 6. Ποια παράμετρο του κινητήρα επηρεάζει η αύξηση ή μείωση του λόγου συμπίεσης; 7. Μπορεί η συμπίεση ενός κινητήρα να αυξηθεί υπέρμετρα; Γιατί; 8. Πότε εμφανίζεται το φαινόμενο «κρουστικής καύσης» στον κινητήρα (knocking ή πυράκια); 9. Ποιες οι κύριες αιτίες εμφάνισης του φαινομένου «κρουστικής καύσης»; 10. Ποιες είναι οι συνέπειες στον κινητήρα μετά από μακρόχρονη παρουσία του φαινομένου «κρουστικής καύσης»; 11. Υπάρχει άμεση σχέση αντικροτικότητας και τύπων υδρογονανθράκων που αποτελούν ένα καύσιμο; Εάν ναι, ποιοι επηρεάζουν δραστικά την αντικροτικότητα; 12. Πως επέρχεται η βελτίωση της συμπεριφοράς της αντικροτικής ικανότητας των βενζινών; Τρόποι χθες και σήμερα. 13. Πόσους και ποιους αριθμούς οκτανίων γνωρίζεται και τι εκφράζει ο καθένας; 14. Τι σημαίνει αριθμός οκτανίου RON 95 και τι RON 100; 15. Τι εκφράζει η διαφορά μεταξύ των αριθμών RON και MON; Μεγάλη ή μικρή διαφορά των αριθμών αυτών είναι επιθυμητή σε μια βενζίνη; 16. Επέλεξε μια από τις παρακάτω βενζίνες για το αυτοκίνητό σου και δικαιολόγησε την επιλογή. Την Α) RON 95 και αριθμό ευαισθησία 10 ή την Β) RON 95 και αριθμό ευαισθησίας 5; ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΧΗΜΕΙΑΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΚΑΥΣΙΜΩΝ - ΑΝΑΣΤΑΣΙΑ ΛΑΖΑΡΙΔΟΥ ΤΕΙ ΑΜΘ 13