CC BY
135
УДК 621.43:62-631.4
РОЗРАХУНКОВИЙ МЕТОД ВИЗНАЧЕННЯ ОКТАНОВОГО ЧИСЛА БЕНЗОЕТАНОЛУ
В.П. Мараховський, мол. наук. співр., Інститут проблем машинобудування імені А.М. Підгорного НАН України
Анотація. Запропоновано розрахунковий метод визначення октанового числа бензоетанолу з різним вмістом біоетанолу в бензинах різних марок.
Ключові слова: бензоетанол, октанове число, бензин, біоетанол.
РАСЧЕТНЫЙ МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОКТАНОВОГО ЧИСЛА
БЕНЗОЭТАНОЛА
В.П. Мараховский, мл. научн. сотр., Институт проблем машиностроения имени А.Н. Подгорного НАН Украины
Аннотация. Предложен расчетный метод определения октанового числа бензоэтанола с различным содержанием биоэтанола в бензинах разных марок.
Ключевые слова: бензоэтанол, октановое число, бензин, биоэтанол.
CALCULATION METHOD OF OCTANE NUMBER DETERMINATION OF GASOLINE ETHANOL MIXTURE
V. Marakhovsky, junior research worker,
A.N. Podgorny institute for mechanical engineering problems of NAS of Ukraine
Abstract. Calculation method of the octane number determination of gasoline ethanol mixture with various content of bioethanol in gasoline of different grades is offered.
Key words: gasoline ethanol mixture, octane number, gasoline, bioethanol.
Вступ
Близько 70 % світового виробництва біоетанолу (більш ніж 42 млн тонн) використовується як добавка до бензину для транспортних ДВЗ з іскровим запалюванням [1]. Таке сумішеве паливо називають газохол, бензанол або бензоетанол (БЕ) та позначають за відсотковим вмістом біоетанолу в суміші з бензином, наприклад Е5, Е10, Е20 - Е70, а Е85 містить від 70 до 92 % біоетанолу (залежно від країни-
виробника) [2, 3]. В Російській Федерації за ТУ38.401-58-330-2003 залежно від детонаційної стійкості передбачено три марки бензано-лу, позначеного як БИ-80, БИ-92 та БИ-95 з об’ємною часткою етанолу 5 - 10 % [3].
Використання БЕ спрямоване на зниження споживання традиційного палива та зменшення рівня шкідливих викидів з відпрацьо-
ваними газами, а за рахунок державної підтримки в різних країнах біопаливних технологій для споживача, - і експлуатаційних витрат. Тільки в США налічується близько 6 млн автомобілів нового типу FFV (Flexible Fuel Vehicles), що працюють на БЕ [4].
Особливе значення при виробництві БЕ мають показники, що характеризують детонаційну стійкість, сумішеву стабільність та випаровуваність, які оцінюються відповідно октановим числом (ОЧ), температурою розшарування та фракційним складом і тиском насиченої пари.
У різних країнах використовують як моторні, так і безмоторні та розрахункові методи визначення ОЧ сумішевих палив [5-9]. Однак як розрахункові, так і безмоторні експрес-методи застосовують до однорідних за походженням та за складом палив. Для визначен-
ня ОЧ БЕ ці методи не придатні і дають нев-порядковані, часто завищені показники.
Аналіз методів визначення ОЧ показав, що серед великого різноманіття відомих розроблених методів та приладів на їх основі на сьогодні неможливо визначати, проводити експрес-оцінку та прогнозувати ОЧ БЕ різного складу. Єдиними методами, які реалізують прямий вимір ОЧ і не залежать від складу сумішевих палив, залишаються моторний та дослідницький методи, що проводяться на моторних установках.
Мета та постановка задачі
Метою роботи є розробка розрахункового методу визначення ОЧ БЕ з різним вмістом біоетанолу в бензинах різних марок. Відповідно до мети, за експериментально визначеними ОЧ сумішевих моторних палив на базі етанолу і бензину, використовуючи математичні методи, потрібно одержати емпіричну залежність визначення ОЧ БЕ.
Емпірична залежність визначення ОЧ БЕ
Аналіз розрахунків, які виконуються при змішуванні бензинів з різним ОЧ, показує, що співвідношення адитивності виду ОЧсум..= ХОЧг- х Мі , де Мі - частка і-го компо-
нента палива, для БЕ дають помилкові результати. Бензини з різними значеннями ОЧ мають близькі фізичні властивості, насамперед, за теплотою пароутворення, температурою кипіння, тиском насиченої пари та ін. Біоетанол як компонент БЕ має дещо іншу хімічну природу, що зумовлено наявністю полярної гідроксильної групи, і за зазначеними властивостями значно відрізняється від бензину.
За експериментальними даними [10] побудуємо графіки залежності ОЧ БЕ, визначених за моторним методом, від вмісту етанолу в БЕ. Для невизначених ОЧ БЕ з базовими бензинами інших марок проведемо апроксимацію кусково-лінійним способом, використовуючи допоміжні програми [11]. Всі криві залежностей ОЧ БЕ (рис. 1) з різними базовими бензинами мають однотипний характер і сходяться в одну точку ОЧ при 100 % етанолу, що за різними оцінками складає 94-96 одиниць ОЧ (за моторним методом) [12].
Усі наведені на рис. 1 графічні залежності апроксимуємо логарифмічною функцією
у = аіпх + Ь. (1)
ОЧБЕ
95
90
85
80
75
70
65
60
55 50
0 10 20 30 40 50 60 70 СЕ, % 100
1 - Б-52; 3 - Б-65; 5 - А-76;
2 - Б-59; 4 - Б-70; 6 - А-82
Рис. 1. Експериментальні [10] та апроксимо-вані за [11] залежності ОЧ БЕ від вмісту в ньому етанолу
Як приклад побудований та апроксимований графіки для базового бензину А-76 показані на рис. 2.
ОЧбе
90
70
0 20 40 60 СЕ, % 100
БЕ з А-76;
....ОЧбе = 4,7846-1п(Се) + 70,955
Рис. 2. Залежність ОЧ БЕ від вмісту в ньому етанолу і базового бензину А-76
Отримані числові значення коефіцієнтів а, і Ь базових бензинів з різними ОЧ зведено в табл. 1.
Таблиця 1 Коефіцієнти а,- та Ь^для базових бензинів з різними 0Ч
0Ч0 а.і Ь.
53 11,5890 77,9970
65 7,7092 56,6800
70 6,3042 63,4680
76 4,7846 70,9550
82 3,2920 77,9970
Для знаходження коефіцієнтів а та Ь побудуємо графік виду а, = /КОЧ0), Ь, = /ДОЧ0) за даними табл. 1. Апроксимувавши їх лінійною залежністю у = сх + й (рис. 3, 4), одержимо значення а та Ь.
50 60 70 ОЧо 90
....а = -0,2861(040)+ 26,44
Рис. 3. Залежність коефіцієнта а від ОЧ базових бензинів
50 60 70 ОЧо 90
.... Ь = 1,3192(ОЧ0) - 29,493
Рис. 4. Залежність коефіцієнта Ь від ОЧ базових бензинів
Підставивши значення а та Ь у формулу загального виду (1), одержимо відносно просту емпіричну залежність
ОЧбе = [26,44 - 0,29(040)]-іиСе +
+ [1,32(040) - 29,49], (2)
де 0ЧБЕ - октанове число БЕ; 0Ч0 - октанове число базового бензину; СЕ - вміст етанолу в БЕ, % (об’ємні частки).
Порівняння розрахункових значень 0Ч БЕ за формулою (2) з вихідними даними показало, що відносна похибка для 0Ч БЕ з різним базовим бензином змінюється в межах від
0.01.до 4,58 %.
Таким чином, запропонована емпірична залежність (2) дозволяє з достатнім ступенем точності визначати 0Ч БЕ залежно від відсоткового вмісту в ньому біоетанолу та 0Ч базового бензину. Формула не претендує на високу точність розрахунку 0Ч БЕ, визначеного на моторній установці за вимогами [6]. Але вона дозволяє оперативно визначати 0Ч сумішевих палив з різним вмістом біо-етанолу.
Висновки
За підсумками виконаного дослідження, узагальнення та аналізу експериментальних даних розроблено емпіричну залежність для визначення октанового числа БЕ, що дозволяє проводити експрес-оцінку 0Ч БЕ з відносною похибкою, яка не перевищує 5 %.
Запропонована залежність дозволить оптимі-зувати склад бензоетанолу для забезпечення необхідного 0Ч, використовуючи в якості базових низькооктанові марки бензину, що дасть змогу знизити собівартість сумішевого палива та його споживчу ціну.
Література
1. Брагинский 0.Б. Альтернативные моторные
топлива: мировые тенденции и выбор для России / 0.Б. Брагинский // Российский химический журнал. - 2008. - Т. ЬП, № 6.- С. 137-146.
2. Спиртовмісні палива / Є.В. Полункін // Ві-
сник НАУ. - 2010. - № 2. - С. 137-141.
3. БЕНЗАН0Л: российский биоэтанол. Элек-
тронный ресурс / В.П. Баранник и // Горюче-смазочные материалы. - 2009. -
Режим доступа: http://www. ethanol.
kiev.ua/index.php?option=com_content&vi
ew=article&id=112%3Abenzanol-russian-
bioethanol&catid=44%3Abasic-news&Ite-
mid=1&lang=ru
4. Спирт для бензобака. Коллекция фактов.
Электронный ресурс // Washington ProFile. - 2007. - Режим доступа: http://www.cbio.ru/modules/news/article. php?storvid=26S7 .
5. ДСТУ 4063-2001. Бензини автомобільні. Тех-
нічні умови. - На заміну ГОСТ 20S4-77, чинний від 2002-07-01. - К.: Держстандарт України, 2002. - 9 с.
6. ГОСТ 511-S2. Топливо для двигателей. Мо-
торный метод определения октанового числа. - Взамен ГОСТ 511-66; введен 0S. 12.2003. - М.: ИПК Изд-во стандартов, 2001. - 14 с.
7. ГОСТ S226-S2. Топливо для двигателей. Ис-
следовательский метод определения октанового числа. - Взамен ГОСТ S226-S2; действует с 0S.12.2003. - М.: ИПК Изд-во стандартов, 2003.- 12 с.
S. Шамов А.В. Применение ультразвука для определения октанового числа бензина / А.В. Шамов // Приоритеты развития отечественного автотракторостроения и подготовки инженерных и научных кадров: материалы 65-й Междунар. научн.-
техн. конф. «Ассоциации автомобильных инженеров», Москва, 2009. - М.: МГТУ «МАМИ», 2009. - Кн. 3. - С. 166175.
9. Гуреев А.А. Автомобильные бензины. Свойст-
ва и применение / А.А. Гуреев, В.С. Азев. - М.: Нефть и газ, 1996. - 444 с.
10. Папок К.К. Словарь по топливам, маслам,
смазкам, присадкам и специальным жидкостям (химмотологический словарь) / К.К. Папок, Н.А. Рагозин. - М.: Химия, 1975. - 392 с.
11. Шемарев М. Адаптивное разбиение кри-
вых Безье / М. Шемарев // Российский журнал для программистов (Я8БК). -2005. - № 3. - С. 18.
12. Мараховский В.П. Перспективы исполь-
зования бензоспиртовых топлив в Украине / В.П. Мараховский, В.Н. Бганцев // Автомобильный транспорт: сб. научн. тр. ХНАДУ - 2007. - Вып. 20. - С. 9294.
Рецензент: Ф.И. Абрамчук, професор, д.т.н., ХНАДУ.
Стаття надійшла до редакції 18 травня 2011 р.
