RU2189039C2 - Method of determining octane number of motor car gasolines - Google Patents

Abstract

FIELD: gasoline production. SUBSTANCE: increased efficiency in determining octane number of motor car gasolines is achieved through preliminarily establishing dependence (graph, table, etc.) of an informational parameter of gasoline on its octane number. This informational parameter can be velocity of ultrasonic wave transmission in gasoline at two different fixed temperatures. Octane number is then determined from the following relationship: octane number = 40[(V1- V2)/100+200/V2], where V1 ultrasonic wave transmission velocity at 20 C and V2 the same at 40 C. Ultrasonic frequencies are selected within the range between 100 and 200 kHz. EFFECT: improved determination accuracy. 14 cl, 1 dwg

Description

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. The present invention relates to methods and devices for the study or analysis of fuels, in particular motor gasolines, using electrical and electromechanical means and can be used in the oil refining industry, during transportation, storage and sale of fuels in all areas of industry where operational quality control of gasoline is required.

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. When using gasoline of various brands in engines, the main factor determining the power and economic performance of the engine is the detonation resistance of gasoline. The resistance of gasoline to the occurrence of detonation combustion depends on its group chemical composition, the amount of compounds resistant to detonation, and the presence of antiknock additives.

На практике детонационную стойкость бензинов оценивают октановыми числами (ОЧ). In practice, the detonation resistance of gasolines is evaluated by octane numbers (OR).

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]. A number of methods for the determination of PF have been developed and standardized. In particular, for automotive grades of gasoline, motor and research methods are used, which differ in various operating modes of the motor unit for determining the OR. For gasoline A-72, A-76 OCH determined by the motor method (OCHM). For gasoline AI-93, AI-95, AI-98, the OHP is determined by both of these methods (OHM and OCH). Evaluation simultaneously by two methods makes it possible to determine the sensitivity of the fuel to a change in mode. The sensitivity is estimated by the difference in the NR obtained by research and motor methods. The disadvantage of this most common method is the significant duration of the determination (at least 120 minutes), the high cost of the installation itself and the reference fuels. In addition, this method can only be used on a stationary large-sized installation, which makes it difficult to widely use it [1, 2].

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]. A known method for determining the octane number of gasolines, based on the measurement of infrared spectra (IR spectra), i.e. spectra of electromagnetic radiation with a wavelength of λ≥800 nm. When controlling the octane number or cetane number of a complex mixture containing hydrocarbons and (or) substituted hydrocarbons, the absorption value in the near infrared region of the spectrum at one wavelength in one or more ranges selected from the group consisting of the following ranges is measured: 1572-1698 , 1700-1726, 824-884, 2058-2130 nm. Carry out the mathematical conversion of this signal into an output signal that determines the octane number or cetane number of the mixture [3].

Существенным недостатком спектрального метода является отсутствие чувствительности к добавлению присадок, повышающих октановое число бензинов. Это приводит к низкой точности измерений. A significant drawback of the spectral method is the lack of sensitivity to the addition of additives that increase the octane number of gasolines. This leads to poor measurement accuracy.

Известен также способ определения октанового числа топлив, по которому подают воздух и топливо в сферический реактор, нагретый до 280-320^oС. После окончания реакции холоднопламенного окисления октановое число определяют по максимальному значению температуры реакции холоднопламенного окисления топлива [4].There is also a method for determining the octane number of fuels, by which air and fuel are supplied to a spherical reactor heated to 280-320 ^o C. After the end of the cold flame oxidation reaction, the octane number is determined by the maximum temperature of the cold flame fuel oxidation reaction [4].

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. The disadvantages of determining the octane number of gasolines by the method of cold flame oxidation include the need for preliminary calibration. In the process of working on the installation, it is difficult to achieve stable operation, and as a result, the determination of the octane number is carried out with a large error.

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]. The closest in technical essence is the method for determining the octane number (RN) of fuels, which consists in determining the RN value from the dependence of the RN on information parameters, such as the dielectric constant ε of gasoline, gasoline density ρ, gasoline temperature t [5]. In this case, the device for determining the octane number contains a capacitive sensor included in the frequency-dependent circuit of the oscillator. Parallel to the capacitive sensor, compensation elements with temperature and density sensors are connected. The theoretical basis of this method is the well-known relationship of the electrophysical parameter of oil products (dielectric constant) with structural and phase transformations [6].

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. The disadvantages of this method include the determination of the OHP of gasoline according to the dependence of the OHP on a once determined information parameters (dielectric constant ε, gasoline density ρ and temperature t), which reduces the accuracy of determination of the OHP of gasolines with various chemical impurities.

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. The problem to be solved by the claimed method is directed to the determination of HF gasolines, aimed at creating a more efficient measurement technology associated with the use of dynamic dependences of HF gasolines on information parameters.

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=20^oС, м/с; V₂ - скорость распространения ультразвуковой волны в бензине при температуре t₂= 40^oC, м/c.The technical result is achieved by the fact that in the method of OCh automobile gasolines, which includes the preliminary construction of the dependence (graph, table, etc.) of the information parameter of gasoline on OCH reference gasolines, the values of the ultrasonic wave propagation velocity in gasolines at two different fixed temperatures are used as information parameters , and OCh is determined from the dependence

where OCH (AI) is the octane number of gasoline, corresponding to the octane number of gasoline determined by the research method, V ₁ is the ultrasonic wave propagation velocity in gasoline at a temperature of t ₁ = 20 ^o C, m / s; V ₂ - the propagation velocity of the ultrasonic wave in gasoline at a temperature of t ₂ = 40 ^o C, m / s.

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.Gasolines are mixtures of aromatic, naphthenic, normal paraffinic and unsaturated hydrocarbons. Due to the complex composition, gasolines should be considered as acoustic systems with distributed constants. The speed of sound in various organic liquids, taking into account a number of factors characterizing the interaction of molecules, can be determined by the following well-known formula [6]:

where M is the molecular mass, ρ_ is the density of the liquid, b is the Van der Waals constant, β_ is the adiabatic compressibility, and T is the temperature. From the formula it follows that the speed of sound in an organic liquid should depend on the nature of the liquid and on temperature. It is these dependencies that were chosen for the main information parameters of gasolines in determining the RN. Acoustic relaxation manifests itself to varying degrees in various gasoline brands, which is accompanied not only by differing values of integrated energy absorption, but also by temperature dispersions of sound velocities. The reason for these effects is the energy exchanges between the translational and internal degrees of freedom of the molecules, in which sound energy is spent on the excitation of vibrational and rotational degrees of freedom, respectively. The intensity of such energy exchanges depends on the composition and spatial conformation of the molecules. The unequal ratio in the content of different hydrocarbon fractions in different gasolines leads to an individual manifestation of acoustic relaxation in different grades of gasoline, similarly to a mixture of liquids.

Возможная техническая реализация предлагаемого способа показана на установке, приведенной на чертеже. A possible technical implementation of the proposed method is shown in the installation shown in the drawing.

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 60^oС.The setup includes a square-wave pulse generator 1, the signal from which passes to a piezoelectric transducer 3 installed in the end of the working cylindrical chamber 2. A receiving piezoelectric element 4 is installed from the opposite end of the chamber, the signal from which passes to the two-beam oscilloscope 6, where the signal travels through the working chamber 2 filled with gasoline. By means of a water thermostat 5, the required temperature is maintained in the chamber, which varies from 20 to 60 ^o C.

Полученные результаты приведены в таблице. The results are shown in the table.

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=20^oС и t₂=40^oС. Формула имеет вид:

где ОЧ(АИ) - октановое число бензина, соответствующее октановому числу бензина, определенному исследовательским методом; V₁ - скорость распространения ультразвуковой волны в бензине при 20^oС, м/с; V₂ - скорость, распространения ультразвуковой волны в бензине при 40^oС м/с. Расчет можно производить как вручную, так и с помощью ЭВМ, программу для которой несложно составить на основе предложенной формулы.It follows from them that gasolines with different octane numbers differ not only in the absolute values of the speed of propagation of the sound wave V, but also in the temperature coefficients α, where α = dV / dt, i.e. α characterizes the rate of change of the speed V of the ultrasonic wave in gasoline with increasing temperature t For pure gasoline fractions it was found:
1) the higher the OCh of gasoline, the lower the velocity V of the propagation of a sound wave in it;
2) for all gasolines α <0;
3) the higher the OCh of gasolines, the less | α |.
The results obtained allow us to derive an empirical formula for determining the octane number of gasoline from the values of speeds V ₁ and V ₂ corresponding to the temperatures of gasoline, respectively, at t ₁ = 20 ^o С and t ₂ = 40 ^o С. The formula has the form:

where OCH (AI) is the octane number of gasoline corresponding to the octane number of gasoline determined by the research method; V ₁ - the propagation velocity of the ultrasonic wave in gasoline at 20 ^o C, m / s; V ₂ - speed, the propagation of the ultrasonic wave in gasoline at 40 ^o C m / s. The calculation can be done either manually or with the help of a computer, the program for which is easy to draw up on the basis of the proposed formula.

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.Example: We calculate the OCh (AI) corresponding to AI-92 brand gasoline according to the proposed formula, using the results shown in the table. Then:

The application of the claimed method in the national economy does not present significant difficulties, is not associated with high costs for its implementation and can be of great importance when creating new technical devices for the environmentally friendly express control of the detonation stability of gasoline.

Источники информации
1. Покровский Г.П., Топливо, смазочные материалы и охлаждающие жидкости, М.: Машиностроение, 1985, с.35-37.Sources of information
1. Pokrovsky GP, Fuel, lubricants and coolants, M.: Mechanical Engineering, 1985, p. 35-37.

2. Авт. свид. СССР 1416909, кл. G 01 N 33/22, М., 1986. 2. Auth. testimonial. USSR 1416909, class G 01 N 33/22, M., 1986.

3. Патент США 5349188, G 01, N 21/35. 3. US patent 5349188, G 01, N 21/35.

4. Авт. свид. СССР 1245975, кл. G 01 N 25/20, М., 1983. 4. Auth. testimonial. USSR 1245975, class G 01 N 25/20, M., 1983.

5. Патент РФ 2100803, кл. G 01 N 27/22, 33/22, М., 1997. 5. RF patent 2100803, cl. G 01 N 27/22, 33/22, M., 1997.

6. Каневский И. Н., Фокусирование звуковых и ультразвуковых волн., М.: Наука, 1977. 6. Kanevsky I.N., Focusing of sound and ultrasonic waves., M .: Nauka, 1977.

Claims (2)

1. Способ определения октанового числа (ОЧ) автомобильных бензинов, включающий предварительное построение зависимости (графика, таблицы и др. ) информационного параметра бензина от ОЧ эталонных бензинов, отличающийся тем, что в качестве информационного параметра 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= 20^oС, м/с;
V₂ - скорость распространения ультразвуковой волны в бензине при температуре t₂= 40^oС, м/с.1. A method for determining the octane number (OCh) of automobile gasolines, including preliminary construction of the dependence (graph, table, etc.) of the information parameter of gasoline on the OCh of reference gasolines, characterized in that the ultrasonic wave propagation velocity in gasolines is used as an information parameter for two different fixed temperatures, and OCh is determined from the dependence

where OCH (AI) is the octane number of gasoline corresponding to the octane number of gasoline determined by the research method;
V ₁ - the propagation velocity of the ultrasonic wave in gasoline at a temperature of t ₁ = 20 ^o C, m / s;
V ₂ - the propagation velocity of the ultrasonic wave in gasoline at a temperature of t ₂ = 40 ^o C, m / s. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что частоты ультразвуковых волн выбирают в диапазоне 100-200 кГц. 2. The method according to p. 1, characterized in that the frequency of the ultrasonic waves is selected in the range of 100-200 kHz.

Images