home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ ftp.pasteur.org/FAQ/ / ftp-pasteur-org-FAQ.zip / FAQ / autos / gasoline-faq / part3 < prev    next >
Encoding:
Internet Message Format  |  2004-01-16  |  58.4 KB

  1. Path: senator-bedfellow.mit.edu!bloom-beacon.mit.edu!news2.telebyte.nl!news.completel.fr!ircam.fr!freenix!nntp.cs.ubc.ca!newsfeeds.ihug.co.nz!ihug.co.nz!news.comnet.co.nz!not-for-mail
  2. From: Bruce Hamilton <B.Hamilton@irl.cri.nz>
  3. Newsgroups: rec.autos.tech,rec.answers,news.answers
  4. Subject: Gasoline FAQ - Part 3 of 4
  5. Followup-To: rec.autos.tech
  6. Date: Thu, 15 Jan 2004 22:16:58 +1300
  7. Organization: Industrial Research Limited
  8. Lines: 990
  9. Approved: news-answers-request@mit.edu
  10. Expires: 15 Feb 2004 00:00:01 GMT
  11. Message-ID: <4jmc009tlqm2dphnjs49990fbrjn0qp33t@4ax.com>
  12. Reply-To: B.Hamilton@irl.cri.nz
  13. NNTP-Posting-Host: ippool31-189-irl.remote.irl.cri.nz
  14. Mime-Version: 1.0
  15. Content-Type: text/plain; charset=us-ascii
  16. Content-Transfer-Encoding: 7bit
  17. X-Trace: news.comnet.co.nz 1074158218 19339 131.203.243.189 (15 Jan 2004 09:16:58 GMT)
  18. X-Complaints-To: usenet@news.comnet.co.nz
  19. NNTP-Posting-Date: 15 Jan 2004 09:16:58 GMT
  20. X-Newsreader: Forte Free Agent 1.93/32.576 English (American)
  21. Xref: senator-bedfellow.mit.edu rec.autos.tech:530536 rec.answers:84597 news.answers:264294
  22.  
  23. Archive-name: autos/gasoline-faq/part3
  24. Posting-Frequency: monthly
  25. Last-modified: 17 November 1996
  26. Version: 1.12
  27.  
  28. Subject: 6. What do Fuel Octane ratings really indicate?
  29.  
  30. 6.1  Who invented Octane Ratings?
  31.  
  32. Since 1912 the spark ignition internal combustion engine's compression ratio 
  33. had been constrained by the unwanted "knock" that could rapidly destroy 
  34. engines. "Knocking" is a very good description of the sound heard from an 
  35. engine using fuel of too low octane. The engineers had blamed the "knock" 
  36. on the battery ignition system that was added to cars along with the 
  37. electric self-starter. The engine developers knew that they could improve 
  38. power and efficiency if knock could be overcome. 
  39.  
  40. Kettering assigned Thomas Midgley, Jr. to the task of finding the exact 
  41. cause of knock [24]. They used a Dobbie-McInnes manograph to demonstrate 
  42. that the knock did not arise from preignition, as was commonly supposed, but
  43. arose from a violent pressure rise *after* ignition. The manograph was not
  44. suitable for further research, so Midgley and Boyd developed a high-speed 
  45. camera to see what was happening. They also developed a "bouncing pin" 
  46. indicator that measured the amount of knock [9]. Ricardo had developed an
  47. alternative concept of HUCF ( Highest Useful Compression Ratio ) using a 
  48. variable-compression engine. His numbers were not absolute, as there were 
  49. many variables, such as ignition timing, cleanliness, spark plug position, 
  50. engine temperature. etc.
  51.    
  52. In 1927 Graham Edgar suggested using two hydrocarbons that could be produced 
  53. in sufficient purity and quantity [11]. These were "normal heptane", that 
  54. was already obtainable in sufficient purity from the distillation of Jeffrey 
  55. pine oil, and " an octane, named 2,4,4-trimethyl pentane " that he first 
  56. synthesized. Today we call it " iso-octane " or 2,2,4-trimethyl pentane. The 
  57. octane had a high antiknock value, and he suggested using the ratio of the 
  58. two as a reference fuel number. He demonstrated that all the commercially- 
  59. available gasolines could be bracketed between 60:40 and 40:60 parts by 
  60. volume heptane:iso-octane.
  61.  
  62. The reason for using normal heptane and iso-octane was because they both 
  63. have similar volatility properties, specifically boiling point, thus the 
  64. varying ratios 0:100 to 100:0 should not exhibit large differences in 
  65. volatility that could affect the rating test.
  66.                                                            Heat of
  67.                Melting Point  Boiling Point  Density    Vaporisation
  68.                      C              C          g/ml         MJ/kg
  69. normal heptane    -90.7           98.4       0.684          0.365 @ 25C
  70. iso octane       -107.45          99.3       0.6919         0.308 @ 25C
  71.  
  72. Having decided on standard reference fuels, a whole range of engines and
  73. test conditions appeared, but today the most common are the Research Octane
  74. Number ( RON ), and the Motor Octane Number ( MON ).
  75.  
  76. 6.2  Why do we need Octane Ratings?
  77.  
  78. To obtain the maximum energy from the gasoline, the compressed fuel-air 
  79. mixture inside the combustion chamber needs to burn evenly, propagating out 
  80. from the spark plug until all the fuel is consumed. This would deliver an 
  81. optimum power stroke. In real life, a series of pre-flame reactions will 
  82. occur in the unburnt "end gases" in the combustion chamber before the flame 
  83. front arrives. If these reactions form molecules or species that can 
  84. autoignite before the flame front arrives, knock will occur [21,22].
  85.  
  86. Simply put, the octane rating of the fuel reflects the ability of the 
  87. unburnt end gases to resist spontaneous autoignition under the engine test
  88. conditions used. If autoignition occurs, it results in an extremely rapid 
  89. pressure rise, as both the desired spark-initiated flame front, and the 
  90. undesired autoignited end gas flames are expanding. The combined pressure 
  91. peak arrives slightly ahead of the normal operating pressure peak, leading 
  92. to a loss of power and eventual overheating. The end gas pressure waves are 
  93. superimposed on the main pressure wave, leading to a sawtooth pattern of 
  94. pressure oscillations that create the "knocking" sound.
  95.  
  96. The combination of intense pressure waves and overheating can induce piston 
  97. failure in a few minutes. Knock and preignition are both favoured by high 
  98. temperatures, so one may lead to the other. Under high-speed conditions 
  99. knock can lead to preignition, which then accelerates engine destruction 
  100. [27,28].
  101.  
  102. 6.3  What fuel property does the Octane Rating measure?
  103.  
  104. The fuel property the octane ratings measure is the ability of the unburnt
  105. end gases to spontaneously ignite under the specified test conditions.
  106. Within the chemical structure of the fuel is the ability to withstand  
  107. pre-flame conditions without decomposing into species that will autoignite 
  108. before the flame-front arrives. Different reaction mechanisms, occurring at
  109. various stages of the pre-flame compression stroke, are responsible for the 
  110. undesirable, easily-autoignitable, end gases.
  111.  
  112. During the oxidation of a hydrocarbon fuel, the hydrogen atoms are removed 
  113. one at a time from the molecule by reactions with small radical species
  114. (such as OH and HO2), and O and H atoms. The strength of carbon-hydrogen
  115. bonds depends on what the carbon is connected to. Straight chain HCs such as
  116. normal heptane have secondary C-H bonds that are significantly weaker than
  117. the primary C-H bonds present in branched chain HCs like iso-octane [21,22].
  118.  
  119. The octane rating of hydrocarbons is determined by the structure of the 
  120. molecule, with long, straight hydrocarbon chains producing large amounts of 
  121. easily-autoignitable pre-flame decomposition species, while branched and 
  122. aromatic hydrocarbons are more resistant. This also explains why the octane
  123. ratings of paraffins consistently decrease with carbon number. In real life, 
  124. the unburnt "end gases" ahead of the flame front encounter temperatures up 
  125. to about 700C due to compression and radiant and conductive heating, and 
  126. commence a series of pre-flame reactions. These reactions occur at different 
  127. thermal stages, with the initial stage ( below 400C ) commencing with the 
  128. addition of molecular oxygen to alkyl radicals, followed by the internal 
  129. transfer of hydrogen atoms within the new radical to form an unsaturated, 
  130. oxygen-containing species. These new species are susceptible to chain 
  131. branching involving the HO2 radical during the intermediate temperature 
  132. stage (400-600C), mainly through the production of OH radicals. Above 600C, 
  133. the most important reaction that produces chain branching is the reaction of 
  134. one hydrogen atom radical with molecular oxygen to form O and OH radicals.
  135.  
  136. The addition of additives such as alkyl lead and oxygenates can 
  137. significantly affect the pre-flame reaction pathways. Antiknock additives 
  138. work by interfering at different points in the pre-flame reactions, with
  139. the oxygenates retarding undesirable low temperature reactions, and the
  140. alkyl lead compounds react in the intermediate temperature region to 
  141. deactivate the major undesirable chain branching sequence [21,22]. 
  142.  
  143. The antiknock ability is related to the "autoignition temperature" of the 
  144. hydrocarbons. Antiknock ability is _not_ substantially related to:-
  145. 1. The energy content of fuel, this should be obvious, as oxygenates have 
  146.    lower energy contents, but high octanes.
  147. 2. The flame speed of the conventionally ignited mixture, this should be
  148.    evident from the similarities of the two reference hydrocarbons. 
  149.    Although flame speed does play a minor part, there are many other factors 
  150.    that are far more important. ( such as compression ratio, stoichiometry,
  151.    combustion chamber shape, chemical structure of the fuel, presence of 
  152.    antiknock additives, number and position of spark plugs, turbulence etc.)
  153.    Flame speed does not correlate with octane.
  154.  
  155. 6.4  Why are two ratings used to obtain the pump rating?
  156.  
  157. The correct name for the (RON+MON)/2 formula is the "antiknock index",
  158. and it remains the most important quality criteria for motorists [39].
  159.  
  160. The initial knock measurement methods developed in the 1920s resulted in a 
  161. diverse range of engine test methods and conditions, many of which have been
  162. summarised by Campbell and Boyd [103]. In 1928 the Co-operative Fuel Research
  163. Committee formed a sub-committee to develop a uniform knock-testing
  164. apparatus and procedure. They settled on a single-cylinder, valve-in-head,
  165. water-cooled, variable compression engine of 3.5"bore and 4.5" stroke. The
  166. knock indicator was the bouncing-pin type. They selected operating conditions
  167. for evaluation that most closely match the current Research Method, however
  168. correlation trials with road octanes in the early 1930s exhibited such large 
  169. discrepancies that conditions were changed ( higher engine speed, hot mixture
  170. temperature, and defined spark advance profiles ), and a new tentative ASTM 
  171. Octane rating method was produced. This method is similar to the operating 
  172. conditions of the current Motor Octane procedure [12,103]. Over several 
  173. decades, a large number of alternative octane test methods appeared. These 
  174. were variations to either the engine design, or the specified operating 
  175. conditions [103]. During the 1950-1960s attempts were made to internationally 
  176. standardise and reduce the number of Octane Rating test procedures.
  177.  
  178. During the late 1940s - mid 1960s, the Research method became the important 
  179. rating because it more closely represented the octane requirements of the 
  180. motorist using the fuels/vehicles/roads then available. In the late 1960s 
  181. German automakers discovered their engines were destroying themselves on 
  182. long Autobahn runs, even though the Research Octane was within specification. 
  183. They discovered that either the MON or the Sensitivity ( the numerical 
  184. difference between the RON and MON numbers ) also had to be specified. Today 
  185. it is accepted that no one octane rating covers all use. In fact, during 
  186. 1994, there have been increasing concerns in Europe about the high 
  187. Sensitivity of some commercially-available unleaded fuels.
  188.  
  189. The design of the engine and vehicle significantly affect the fuel octane 
  190. requirement for both RON and MON. In the 1930s, most vehicles would have 
  191. been sensitive to the Research Octane of the fuel, almost regardless of the 
  192. Motor Octane, whereas most 1990s engines have a 'severity" of one, which 
  193. means the engine is unlikely to knock if a changes of one RON is matched by 
  194. an equal and opposite change of MON [32]. I should note that the Research 
  195. method was only formally approved in 1947, but used unofficially from 1942.
  196.  
  197. 6.5  What does the Motor Octane rating measure?
  198.  
  199. The conditions of the Motor method represent severe, sustained high speed, 
  200. high load driving. For most hydrocarbon fuels, including those with either 
  201. lead or oxygenates, the motor octane number (MON) will be lower than the 
  202. research octane number (RON).
  203.  
  204. Test Engine conditions                Motor Octane 
  205. Test Method                         ASTM D2700-92 [104]
  206. Engine                       Cooperative Fuels Research ( CFR )
  207. Engine RPM                               900 RPM
  208. Intake air temperature                    38 C
  209. Intake air humidity           3.56 - 7.12 g H2O / kg dry air        
  210. Intake mixture temperature               149 C 
  211. Coolant temperature                      100 C
  212. Oil Temperature                           57 C
  213. Ignition Advance - variable     Varies with compression ratio
  214.                                  ( eg 14 - 26 degrees BTDC ) 
  215. Carburettor Venturi                       14.3 mm
  216.  
  217. 6.6  What does the Research Octane rating measure?
  218.  
  219. The Research method settings represent typical mild driving, without
  220. consistent heavy loads on the engine.
  221.  
  222. Test Engine conditions               Research Octane
  223. Test Method                         ASTM D2699-92 [105]
  224. Engine                       Cooperative Fuels Research ( CFR )       
  225. Engine RPM                               600 RPM
  226. Intake air temperature       Varies with barometric pressure 
  227.                            ( eg 88kPa = 19.4C, 101.6kPa = 52.2C )
  228. Intake air humidity           3.56 - 7.12 g H2O / kg dry air
  229. Intake mixture temperature            Not specified 
  230. Coolant temperature                      100 C
  231. Oil Temperature                           57 C
  232. Ignition Advance - fixed            13 degrees BTDC 
  233. Carburettor Venturi           Set according to engine altitude          
  234.                            ( eg 0-500m=14.3mm, 500-1000m=15.1mm ) 
  235.  
  236. 6.7  Why is the difference called "sensitivity"?
  237.  
  238. RON - MON = Sensitivity. Because the two test methods use different test 
  239. conditions, especially the intake mixture temperatures and engine speeds, 
  240. then a fuel that is sensitive to changes in operating conditions will have 
  241. a larger difference between the two rating methods. Modern fuels typically 
  242. have sensitivities around 10. The US 87 (RON+MON)/2 unleaded gasoline is 
  243. recommended to have a 82+ MON, thus preventing very high sensitivity fuels 
  244. [39]. Recent changes in European gasolines has caused concern, as high 
  245. sensitivity unleaded fuels have been found that fail to meet the 85 MON 
  246. requirement of the EN228 European gasoline specification [106]. 
  247.  
  248. 6.8  What sort of engine is used to rate fuels?
  249.  
  250. Automotive octane ratings are determined in a special single-cylinder engine 
  251. with a variable compression ratio ( CR 4:1 to 18:1 ) known as a Cooperative 
  252. Fuels Research ( CFR ) engine. The cylinder bore is 82.5mm, the stroke is 
  253. 114.3mm, giving a displacement of 612 cm3. The piston has four compression 
  254. rings, and one oil control ring. The intake valve is shrouded. The head and 
  255. cylinder are one piece, and can be moved up and down to obtain the desired 
  256. compression ratio.  The engines have a special four-bowl carburettor that 
  257. can adjust individual bowl air-fuel ratios. This facilitates rapid switching 
  258. between reference fuels and samples. A magnetorestrictive detonation sensor 
  259. in the combustion chamber measures the rapid changes in combustion chamber 
  260. pressure caused by knock, and the amplified signal is measured on a 
  261. "knockmeter" with a 0-100 scale [104,105]. A complete Octane Rating engine 
  262. system costs about $200,000 with all the services installed. Only one 
  263. company manufactures these engines, the Waukesha Engine Division of Dresser 
  264. Industries, Waukesha. WI 53186.
  265.           
  266. 6.9  How is the Octane rating determined?
  267.  
  268. To rate a fuel, the engine is set to an appropriate compression ratio that 
  269. will produce a knock of about 50 on the knockmeter for the sample when the 
  270. air-fuel ratio is adjusted on the carburettor bowl to obtain maximum knock. 
  271. Normal heptane and iso-octane are known as primary reference fuels. Two 
  272. blends of these are made, one that is one octane number above the expected 
  273. rating, and another that is one octane number below the expected rating. 
  274. These are placed in different bowls, and are also rated with each air-fuel
  275. ratio being adjusted for maximum knock. The higher octane reference fuel 
  276. should produce a reading around 30-40, and the lower reference fuel should
  277. produce a reading of 60-70. The sample is again tested, and if it does not 
  278. fit between the reference fuels, further reference fuels are prepared, and 
  279. the engine readjusted to obtain the required knock. The actual fuel rating 
  280. is interpolated from the knockmeter readings [104,105].  
  281.  
  282. 6.10 What is the Octane Distribution of the fuel?
  283.  
  284. The combination of vehicle and engine can result in specific requirements
  285. for octane that depend on the fuel. If the octane is distributed differently 
  286. throughout the boiling range of a fuel, then engines can knock on one brand 
  287. of 87 (RON+MON)/2, but not on another brand. This "octane distribution" is 
  288. especially important when sudden changes in load occur, such as high load,
  289. full throttle, acceleration. The fuel can segregate in the manifold, with 
  290. the very volatile fraction reaching the combustion chamber first and, if 
  291. that fraction is deficient in octane, then knock will occur until the less 
  292. volatile, higher octane fractions arrive [27,28]. 
  293.  
  294. Some fuel specifications include delta RONs, to ensure octane distribution 
  295. throughout the fuel boiling range was consistent. Octane distribution was 
  296. seldom a problem with the alkyl lead compounds, as the tetra methyl lead
  297. and tetra ethyl lead octane volatility profiles were well characterised, but 
  298. it can be a major problem for the new, reformulated, low aromatic gasolines, 
  299. as MTBE boils at 55C, whereas ethanol boils at 78C. Drivers have discovered
  300. that an 87 (RON+MON)/2 from one brand has to be substituted with an 89
  301. (RON+MON)/2 of another, and that is because of the combination of their 
  302. driving style, engine design, vehicle mass, fuel octane distribution, fuel 
  303. volatility, and the octane-enhancers used.
  304.           
  305. 6.11 What is a "delta Research Octane number"?
  306.  
  307. To obtain an indication of behaviour of a gasoline during any manifold 
  308. segregation, an octane rating procedure called the Distribution Octane 
  309. Number was used. The rating engine had a special manifold that allowed 
  310. the heavier fractions to be separated before they reached the combustion 
  311. chamber [27]. That method has been replaced by the "delta" RON procedure. 
  312.  
  313. The fuel is carefully distilled to obtain a distillate fraction that boils 
  314. to the specified temperature, which is usually 100C. Both the parent fuel 
  315. and the distillate fraction are rated on the octane engine using the 
  316. Research Octane method [107]. The difference between these is the delta 
  317. RON(100C), usually just called the delta RON. The delta RON ratings are
  318. not particularly relevant to engines with injectors, and are not used in
  319. the US.   
  320.  
  321. 6.12 How do other fuel properties affect octane?
  322.  
  323. Several other properties affect knock. The most significant determinant of 
  324. octane is the chemical structure of the hydrocarbons and their response to 
  325. the addition of octane enhancing additives. Other factors include:-
  326. Front End Volatility - Paraffins are the major component in gasoline, and 
  327.   the octane number decreases with increasing chain length or ring size, but 
  328.   increases with chain branching. Overall, the effect is a significant 
  329.   reduction in octane if front end volatility is lost, as can happen with 
  330.   improper or long term storage. Fuel economy on short trips can be improved 
  331.   by using a more volatile fuel, at the risk of carburettor icing and 
  332.   increased evaporative emissions. 
  333. Final Boiling Point.- Decreases in the final boiling point increase fuel 
  334.   octane. Aviation gasolines have much lower final boiling points than 
  335.   automotive gasolines. Note that final boiling points are being reduced
  336.   because the higher boiling fractions are responsible for disproportionate
  337.   quantities of pollutants and toxins. 
  338. Preignition tendency - both knock and preignition can induce each other.
  339.  
  340. 6.13 Can higher octane fuels give me more power?
  341.  
  342. On modern engines with sophisticated engine management systems, the engine
  343. can operate efficiently on fuels of a wider range of octane rating, but there 
  344. remains an optimum octane for the engine under specific driving conditions. 
  345. Older cars without such systems are more restricted in their choice of fuel, 
  346. as the engine can not automatically adjust to accommodate lower octane fuel.
  347. Because knock is so destructive, owners of older cars must use fuel that will 
  348. not knock under the most demanding conditions they encounter, and must 
  349. continue to use that fuel, even if they only occasionally require the octane.  
  350.  
  351. If you are already using the proper octane fuel, you will not obtain more
  352. power from higher octane fuels. The engine will be already operating at 
  353. optimum settings, and a higher octane should have no effect on the management
  354. system. Your driveability and fuel economy will remain the same. The higher 
  355. octane fuel costs more, so you are just throwing money away. If you are 
  356. already using a fuel with an octane rating slightly below the optimum, then 
  357. using a higher octane fuel will cause the engine management system to move to
  358. the optimum settings, possibly resulting in both increased power and improved
  359. fuel economy. You may be able to change octanes between seasons ( reduce 
  360. octane in winter ) to obtain the most cost-effective fuel without loss of 
  361. driveability. 
  362.  
  363. Once you have identified the fuel that keeps the engine at optimum settings, 
  364. there is no advantage in moving to an even higher octane fuel. The 
  365. manufacturer's recommendation is conservative, so you may be able to 
  366. carefully reduce the fuel octane. The penalty for getting it badly wrong, 
  367. and not realising that you have, could be expensive engine damage. 
  368.  
  369. 6.14 Does low octane fuel increase engine wear?
  370.  
  371. Not if you are meeting the octane requirement of the engine. If you are not
  372. meeting the octane requirement, the engine will rapidly suffer major damage 
  373. due to knock. You must not use fuels that produce sustained audible knock,
  374. as engine damage will occur. If the octane is just sufficient, the engine 
  375. management system will move settings to a less optimal position, and the 
  376. only major penalty will be increased costs due to poor fuel economy. 
  377. Whenever possible, engines should be operated at the optimum position for 
  378. long-term reliability. Engine wear is mainly related to design, 
  379. manufacturing, maintenance and lubrication factors. Once the octane and 
  380. run-on requirements of the engine are satisfied, increased octane will have 
  381. no beneficial effect on the engine. Run-on is the tendency of an engine to
  382. continue running after the ignition has been switched off, and is discussed
  383. in more detail in Section 8.2. The quality of gasoline, and the additive 
  384. package used, would be more likely to affect the rate of engine wear, rather 
  385. than the octane rating. 
  386.  
  387. 6.15 Can I mix different octane fuel grades?
  388.  
  389. Yes, however attempts to blend in your fuel tank should be carefully
  390. planned. You should not allow the tank to become empty, and then add 50% of 
  391. lower octane, followed by 50% of higher octane. The fuels may not completely 
  392. mix immediately, especially if there is a density difference. You may get a 
  393. slug of low octane that causes severe knock. You should refill when your 
  394. tank is half full. In general the octane response will be linear for most 
  395. hydrocarbon and oxygenated fuels eg 50:50 of 87 and 91 will give 89. 
  396.  
  397. Attempts to mix leaded high octane to unleaded high octane to obtain higher 
  398. octane are useless for most commercial gasolines. The lead response of the 
  399. unleaded fuel does not overcome the dilution effect, thus 50:50 of 96 leaded 
  400. and 91 unleaded will give 94. Some blends of oxygenated fuels with ordinary 
  401. gasoline can result in undesirable increases in volatility due to volatile 
  402. azeotropes, and some oxygenates can have negative lead responses. The octane 
  403. requirement of some engines is determined by the need to avoid run-on, not 
  404. to avoid knock.
  405.  
  406. 6.16 What happens if I use the wrong octane fuel?
  407.           
  408. If you use a fuel with an octane rating below the requirement of the engine, 
  409. the management system may move the engine settings into an area of less 
  410. efficient combustion, resulting in reduced power and reduced fuel economy.
  411. You will be losing both money and driveability. If you use a fuel with an 
  412. octane rating higher than what the engine can use, you are just wasting 
  413. money by paying for octane that you can not utilise. The additive packages 
  414. are matched to the engines using the fuel, for example intake valve deposit 
  415. control additive concentrations may be increased in the premium octane grade.
  416. If your vehicle does not have a knock sensor, then using a fuel with an 
  417. octane rating significantly below the octane requirement of the engine means 
  418. that the little men with hammers will gleefully pummel your engine to pieces. 
  419.  
  420. You should initially be guided by the vehicle manufacturer's recommendations, 
  421. however you can experiment, as the variations in vehicle tolerances can 
  422. mean that Octane Number Requirement for a given vehicle model can range 
  423. over 6 Octane Numbers. Caution should be used, and remember to compensate 
  424. if the conditions change, such as carrying more people or driving in 
  425. different ambient conditions. You can often reduce the octane of the fuel 
  426. you use in winter because the temperature decrease and possible humidity 
  427. changes may significantly reduce the octane requirement of the engine.
  428.  
  429. Use the octane that provides cost-effective driveability and performance, 
  430. using anything more is waste of money, and anything less could result in
  431. an unscheduled, expensive visit to your mechanic.
  432.  
  433. 6.17 Can I tune the engine to use another octane fuel?
  434.  
  435. In general, modern engine management systems will compensate for fuel octane, 
  436. and once you have satisfied the optimum octane requirement, you are at the
  437. optimum overall performance area of the engine map. Tuning changes to obtain 
  438. more power will probably adversely affect both fuel economy and emissions. 
  439. Unless you have access to good diagnostic equipment that can ensure 
  440. regulatory limits are complied with, it is likely that adjustments may be 
  441. regarded as illegal tampering by your local regulation enforcers. If you are 
  442. skilled, you will be able to legally wring slightly more performance from 
  443. your engine by using a dynamometer in conjunction with engine and exhaust gas
  444. analyzers and a well-designed, retrofitted, performance engine management 
  445. chip.
  446.  
  447. 6.18 How can I increase the fuel octane?
  448.  
  449. Not simply, you can purchase additives, however these are not cost-effective
  450. and a survey in 1989 showed the cost of increasing the octane rating of one
  451. US gallon by one unit ranged from 10 cents ( methanol ), 50 cents (MMT), 
  452. $1.00 ( TEL ), to $3.25 ( xylenes ) [108]. Refer to section 6.20 for a 
  453. discussion on naphthalene ( mothballs ). It is preferable to purchase a 
  454. higher octane fuel such as racing fuel, aviation gasolines, or methanol. 
  455. Sadly, the price of chemical grade methanol has almost doubled during 1994. 
  456. If you plan to use alcohol blends, ensure your fuel handling system is 
  457. compatible, and that you only use dry gasoline by filling up early in the 
  458. morning when the storage tanks are cool. Also ensure that the service station
  459. storage tank has not been refilled recently. Retailers are supposed to wait 
  460. several hours before bringing a refilled tank online, to allow suspended 
  461. undissolved water to settle out, but they do not always wait the full period. 
  462.  
  463. 6.19 Are aviation gasoline octane numbers comparable?
  464.  
  465. Aviation gasolines were all highly leaded and graded using two numbers, with 
  466. common grades being 80/87, 100/130, and 115/145 [109,110]. The first number is 
  467. the Aviation rating ( aka Lean Mixture rating ), and the second number is the 
  468. Supercharge rating ( aka Rich Mixture rating ). In the 1970s a new grade,
  469. 100LL ( low lead = 0.53mlTEL/L instead of 1.06mlTEL/L) was introduced to 
  470. replace the 80/87 and 100/130. Soon after the introduction, there was a 
  471. spate of plug fouling, and high cylinder head temperatures resulting in 
  472. cracked cylinder heads [110]. The old 80/87 grade was reintroduced on a 
  473. limited scale.  The Aviation Rating is determined using the automotive Motor 
  474. Octane test procedure, and then converted to an Aviation Number using a 
  475. table in the method. Aviation Numbers below 100 are Octane numbers, while 
  476. numbers above 100 are Performance numbers. There is usually only 1 - 2 
  477. Octane units different to the Motor value up to 100, but Performance numbers
  478. varies significantly above that eg 110 MON = 128 Performance number.
  479.  
  480. The second Avgas number is the Rich Mixture method Performance Number ( PN 
  481. - they are not commonly called octane numbers when they are above 100 ), and 
  482. is determined on a supercharged version of the CFR engine which has a fixed 
  483. compression ratio. The method determines the dependence of the highest 
  484. permissible power ( in terms of indicated mean effective pressure ) on 
  485. mixture strength and boost for a specific light knocking setting. The 
  486. Performance Number indicates the maximum knock-free power obtainable from a 
  487. fuel compared to iso-octane = 100. Thus, a PN = 150 indicates that an engine
  488. designed to utilise the fuel can obtain 150% of the knock-limited power of 
  489. iso-octane at the same mixture ratio. This is an arbitrary scale based on 
  490. iso-octane + varying amounts of TEL, derived from a survey of engines 
  491. performed decades ago. Aviation gasoline PNs are rated using variations of 
  492. mixture strength to obtain the maximum knock-limited power in a supercharged
  493. engine. This can be extended to provide mixture response curves which define
  494. the maximum boost ( rich - about 11:1 stoichiometry ) and minimum boost 
  495. ( weak about 16:1 stoichiometry ) before knock [110].
  496.  
  497. The 115/145 grade is being phased out, but even the 100LL has more octane 
  498. than any automotive gasoline. 
  499.  
  500. 6.20 Can mothballs increase octane? 
  501.  
  502. The legend of mothballs as an octane enhancer arose well before WWII when
  503. naphthalene was used as the active ingredient. Today, the majority of 
  504. mothballs use para-dichlorobenzene in place of naphthalene, so choose 
  505. carefully if you wish to experiment :-). There have been some concerns about 
  506. the toxicity of para-dichlorobenzene, and naphthalene mothballs have again
  507. become popular. In the 1920s, typical gasoline octane ratings were 40-60 
  508. [11], and during the 1930s and 40s, the ratings increased by approximately 20 
  509. units as alkyl leads and improved refining processes became widespread [12]. 
  510.  
  511. Naphthalene has a blending motor octane number of 90 [52], so the addition of 
  512. a significant amount of mothballs could increase the octane, and they were 
  513. soluble in gasoline. The amount usually required to appreciably increase the 
  514. octane also had some adverse effects. The most obvious was due to the high 
  515. melting point ( 80C ), when the fuel evaporated the naphthalene would 
  516. precipitate out, blocking jets and filters. With modern gasolines, 
  517. naphthalene is more likely to reduce the octane rating, and the amount 
  518. required for low octane fuels will also create operational and emissions 
  519. problems. 
  520.  
  521. ------------------------------
  522.  
  523. Subject: 7. What parameters determine octane requirement?
  524.  
  525. 7.1  What is the Octane Number Requirement of a Vehicle?
  526.  
  527. The actual octane requirement of a vehicle is called the Octane Number 
  528. Requirement (ONR), and is determined by using series of standard octane fuels
  529. that can be blends of iso-octane and normal heptane ( primary reference ), 
  530. or commercial gasolines ( full-boiling reference ). In Europe, delta RON
  531. (100C) fuels are also used, but seldom in the USA. The vehicle is tested 
  532. under a wide range of conditions and loads, using decreasing octane fuels 
  533. from each series until trace knock is detected. The conditions that require 
  534. maximum octane are not consistent, but often are full-throttle acceleration 
  535. from low starting speeds using the highest gear available. They can even be 
  536. at constant speed conditions, which are usually performed on chassis 
  537. dynamometers [27,28,111]. Engine management systems that adjust the octane 
  538. requirement may also reduce the power output on low octane fuel, resulting 
  539. in increased fuel consumption, and adaptive learning systems have to be
  540. preconditioned prior to testing. The maximum ONR is of most interest, as that 
  541. usually defines the recommended fuel, however it is recognised that the
  542. general public seldom drive as severely as the testers, and so may be
  543. satisfied by a lower octane fuel [28].
  544.  
  545. 7.2  What is the effect of Compression ratio?
  546.  
  547. Most people know that an increase in Compression Ratio will require an
  548. increase in fuel octane for the same engine design. Increasing the 
  549. compression ratio increases the theoretical thermodynamic efficiency of an 
  550. engine according to the standard equation
  551.  
  552. Efficiency = 1 - (1/compression ratio)^gamma-1
  553.  
  554. where gamma = ratio of specific heats at constant pressure and constant 
  555. volume of the working fluid ( for most purposes air is the working fluid, 
  556. and is treated as an ideal gas ). There are indications that thermal 
  557. efficiency reaches a maximum at a compression ratio of about 17:1 for 
  558. gasoline fuels in an SI engine [23].
  559.  
  560. The efficiency gains are best when the engine is at incipient knock, that's 
  561. why knock sensors ( actually vibration sensors ) are used. Low compression 
  562. ratio engines are less efficient because they can not deliver as much of the 
  563. ideal combustion power to the flywheel. For a typical carburetted engine, 
  564. without engine management [27,38]:-
  565.  
  566.    Compression       Octane Number    Brake Thermal Efficiency       
  567.      Ratio            Requirement         ( Full Throttle )
  568.       5:1                 72                      -
  569.       6:1                 81                     25 %
  570.       7:1                 87                     28 %
  571.       8:1                 92                     30 %
  572.       9:1                 96                     32 %
  573.      10:1                100                     33 %
  574.      11:1                104                     34 %
  575.      12:1                108                     35 %
  576.  
  577. Modern engines have improved significantly on this, and the changing fuel 
  578. specifications and engine design should see more improvements, but 
  579. significant gains may have to await improved engine materials and fuels.
  580.  
  581. 7.3  What is the effect of changing the air-fuel ratio?
  582.  
  583. Traditionally, the greatest tendency to knock was near 13.5:1 air-fuel 
  584. ratio, but was very engine specific. Modern engines, with engine management 
  585. systems, now have their maximum octane requirement near to 14.5:1. For a 
  586. given engine using gasoline, the relationship between thermal efficiency, 
  587. air-fuel ratio, and power is complex. Stoichiometric combustion ( air-fuel 
  588. ratio = 14.7:1 for a typical non-oxygenated gasoline ) is neither maximum 
  589. power - which occurs around air-fuel 12-13:1 (Rich), nor maximum thermal 
  590. efficiency - which occurs around air-fuel 16-18:1 (Lean). The air-fuel ratio 
  591. is controlled at part throttle by a closed loop system using the oxygen sensor 
  592. in the exhaust. Conventionally, enrichment for maximum power air-fuel ratio 
  593. is used during full throttle operation to reduce knocking while providing 
  594. better driveability [38]. An average increase of 2 (R+M)/2 ON is required 
  595. for each 1.0 increase (leaning) of the air-fuel ratio [111]. If the mixture 
  596. is weakened, the flame speed is reduced, consequently less heat is converted 
  597. to mechanical energy, leaving heat in the cylinder walls and head, 
  598. potentially inducing knock. It is possible to weaken the mixture sufficiently 
  599. that the flame is still present when the inlet valve opens again, resulting 
  600. in backfiring.
  601.  
  602. 7.4  What is the effect of changing the ignition timing?
  603.  
  604. The tendency to knock increases as spark advance is increased. For an engine 
  605. with recommended 6 degrees BTDC ( Before Top Dead Centre ) timing and 93 
  606. octane fuel, retarding the spark 4 degrees lowers the octane requirement to 
  607. 91, whereas advancing it 8 degrees requires 96 octane fuel [27]. It should
  608. be noted this requirement depends on engine design. If you advance the spark, 
  609. the flame front starts earlier, and the end gases start forming earlier in 
  610. the cycle, providing more time for the autoigniting species to form before 
  611. the piston reaches the optimum position for power delivery, as determined by 
  612. the normal flame front propagation. It becomes a race between the flame front 
  613. and decomposition of the increasingly-squashed end gases. High octane fuels 
  614. produce end gases that take longer to autoignite, so the good flame front 
  615. reaches and consumes them properly. 
  616.  
  617. The ignition advance map is partly determined by the fuel the engine is 
  618. intended to use. The timing of the spark is advanced sufficiently to ensure 
  619. that the fuel-air mixture burns in such a way that maximum pressure of the 
  620. burning charge is about 15-20 degree after TDC. Knock will occur before 
  621. this point, usually in the late compression - early power stroke period.
  622. The engine management system uses ignition timing as one of the major
  623. variables that is adjusted if knock is detected. If very low octane fuels
  624. are used ( several octane numbers below the vehicle's requirement at optimal 
  625. settings ), both performance and fuel economy will decrease.
  626.  
  627. The actual Octane Number Requirement depends on the engine design, but for
  628. some 1978 vehicles using standard fuels, the following (R+M)/2 Octane 
  629. Requirements were measured. "Standard" is the recommended ignition timing 
  630. for the engine, probably a few degrees BTDC [38].
  631.             
  632.                           Basic Ignition Timing
  633. Vehicle   Retarded 5 degrees    Standard     Advanced 5 degrees
  634.   A              88                91               93
  635.   B              86                90.5             94.5
  636.   C              85.5              88               90
  637.   D              84                87.5             91
  638.   E              82.5              87               90                      
  639.  
  640. The actual ignition timing to achieve the maximum pressure from normal 
  641. combustion of gasoline will depend mainly on the speed of the engine and the 
  642. flame propagation rates in the engine. Knock increases the rate of the 
  643. pressure rise, thus superimposing additional pressure on the normal 
  644. combustion pressure rise. The knock actually rapidly resonates around the 
  645. chamber, creating a series of abnormal sharp spikes on the pressure diagram. 
  646. The normal flame speed is fairly consistent for most gasoline HCs, regardless
  647. of octane rating, but the flame speed is affected by stoichiometry. Note that
  648. the flame speeds in this FAQ are not the actual engine flame speeds. A 12:1
  649. CR gasoline engine at 1500 rpm would have a flame speed of about 16.5 m/s, 
  650. and a similar hydrogen engine yields 48.3 m/s, but such engine flame speeds 
  651. are also very dependent on stoichiometry.  
  652.  
  653. 7.5  What is the effect of engine management systems?
  654.  
  655. Engine management systems are now an important part of the strategy to 
  656. reduce automotive pollution. The good news for the consumer is their ability 
  657. to maintain the efficiency of gasoline combustion, thus improving fuel 
  658. economy. The bad news is their tendency to hinder tuning for power. A very 
  659. basic modern engine system could monitor and control:- mass air flow, fuel 
  660. flow, ignition timing, exhaust oxygen ( lambda oxygen sensor ), knock 
  661. ( vibration sensor ), EGR, exhaust gas temperature, coolant temperature, and 
  662. intake air temperature. The knock sensor can be either a nonresonant type 
  663. installed in the engine block and capable of measuring a wide range of knock 
  664. vibrations ( 5-15 kHz ) with minimal change in frequency, or a resonant type 
  665. that has excellent signal-to-noise ratio between 1000 and 5000 rpm [112]. 
  666.  
  667. A modern engine management system can compensate for altitude, ambient air 
  668. temperature, and fuel octane. The management system will also control cold 
  669. start settings, and other operational parameters. There is a new requirement 
  670. that the engine management system also contain an on-board diagnostic 
  671. function that warns of malfunctions such as engine misfire, exhaust catalyst 
  672. failure, and evaporative emissions failure. The use of fuels with alcohols 
  673. such as methanol can confuse the engine management system as they generate 
  674. more hydrogen which can fool the oxygen sensor [76] .
  675.  
  676. The use of fuel of too low octane can actually result in both a loss of fuel 
  677. economy and power, as the management system may have to move the engine 
  678. settings to a less efficient part of the performance map. The system retards 
  679. the ignition timing until only trace knock is detected, as engine damage 
  680. from knock is of more consequence than power and fuel economy. 
  681.  
  682. 7.6  What is the effect of temperature and load?  
  683.  
  684. Increasing the engine temperature, particularly the air-fuel charge 
  685. temperature, increases the tendency to knock. The Sensitivity of a fuel can 
  686. indicate how it is affected by charge temperature variations. Increasing 
  687. load increases both the engine temperature, and the end-gas pressure, thus 
  688. the likelihood of knock increases as load increases. Increasing the water 
  689. jacket temperature from 71C to 82C, increases the (R+M)/2 ONR by two [111]. 
  690.  
  691. 7.7  What is the effect of engine speed?.
  692.  
  693. Faster engine speed means there is less time for the pre-flame reactions 
  694. in the end gases to occur, thus reducing the tendency to knock. On engines
  695. with management systems, the ignition timing may be advanced with engine
  696. speed and load, to obtain optimum efficiency at incipient knock. In such 
  697. cases, both high and low engines speeds may be critical.
  698.           
  699. 7.8  What is the effect of engine deposits?
  700.  
  701. A new engine may only require a fuel of 6-9 octane numbers lower than the
  702. same engine after 25,000 km. This Octane Requirement Increase (ORI) is due to
  703. the formation of a mixture of organic and inorganic deposits resulting from
  704. both the fuel and the lubricant. They reach an equilibrium amount because
  705. of flaking, however dramatic changes in driving styles can also result in 
  706. dramatic changes of the equilibrium position. When the engine starts to burn
  707. more oil, the octane requirement can increase again. ORIs up to 12 are not
  708. uncommon, depending on driving style [27,28,32,111]. The deposits produce 
  709. the ORI by several mechanisms:- 
  710.  - they reduce the combustion chamber volume, effectively increasing the 
  711.    compression ratio. 
  712.  - they also reduce thermal conductivity, thus increasing the combustion 
  713.    chamber temperatures. 
  714.  - they catalyse undesirable pre-flame reactions that produce end gases with 
  715.    low autoignition temperatures.  
  716.  
  717. 7.9  What is the Road Octane Number of a Fuel?
  718.   
  719. The CFR octane rating engines do not reflect actual conditions in a vehicle,
  720. consequently there are standard procedures for evaluating the performance 
  721. of the gasoline in an engine. The most common are:-
  722. 1. The Modified Uniontown Procedure. Full throttle accelerations are made 
  723.    from low speed using primary reference fuels. The ignition timing is 
  724.    adjusted until trace knock is detected at some stage. Several reference 
  725.    fuels are used, and a Road Octane Number v Basic Ignition timing graph is 
  726.    obtained. The fuel sample is tested, and the trace knock ignition timing 
  727.    setting is read from the graph to provide the Road Octane Number. This is 
  728.    a rapid procedure but provides minimal information, and cars with engine
  729.    management systems require sophisticated electronic equipment to adjust
  730.    the ignition timing [28].
  731. 2. The Modified Borderline Knock Procedure. The automatic spark advance is
  732.    disabled, and a manual adjustment facility added. Accelerations are 
  733.    performed as in the Modified Uniontown Procedure, however trace knock is 
  734.    maintained throughout the run by adjustment of the spark advance. A map 
  735.    of ignition advance v engine speed is made for several reference fuels 
  736.    and the sample fuels. This procedure can show the variation of road octane 
  737.    with engine speed, however the technique is almost impossible to perform 
  738.    on vehicles with modern management systems [28]. 
  739.  
  740. The Road Octane Number lies between the MON and RON, and the difference
  741. between the RON and the Road Octane number is called 'depreciation" [111].
  742. Because nominally-identical new vehicle models display octane requirements 
  743. that can range over seven numbers, a large number of vehicles have to be 
  744. tested [28,111].
  745.  
  746. 7.10  What is the effect of air temperature?
  747.           
  748. An increase in ambient air temperature of 5.6C increases the octane 
  749. requirement of an engine by 0.44 - 0.54 MON [27,38]. When the combined effects 
  750. of air temperature and humidity are considered, it is often possible to use 
  751. one octane grade in summer, and use a lower octane rating in winter. The 
  752. Motor octane rating has a higher charge temperature, and increasing charge 
  753. temperature increases the tendency to knock, so fuels with low Sensitivity 
  754. ( the difference between RON and MON numbers ) are less affected by air 
  755. temperature.
  756.  
  757. 7.11  What is the effect of altitude?
  758.  
  759. The effect of increasing altitude may be nonlinear, with one study reporting 
  760. a decrease of the octane requirement of 1.4 RON/300m from sea level to 1800m
  761. and 2.5 RON/300m from 1800m to 3600m [27]. Other studies report the octane 
  762. number requirement decreased by 1.0 - 1.9 RON/300m without specifying 
  763. altitude [38]. Modern engine management systems can accommodate this 
  764. adjustment, and in some recent studies, the octane number requirement was 
  765. reduced by 0.2 - 0.5 (R+M)/2 per 300m increase in altitude. 
  766. The larger reduction on older engines was due to:-
  767.  - reduced air density provides lower combustion temperature and pressure.
  768.  - fuel is metered according to air volume, consequently as density decreases
  769.    the stoichiometry moves to rich, with a lower octane number requirement.
  770.  - manifold vacuum controlled spark advance, and reduced manifold vacuum 
  771.    results in less spark advance.
  772.  
  773. 7.12  What is the effect of humidity?.
  774.  
  775. An increase of absolute humidity of 1.0 g water/kg of dry air lowers the 
  776. octane requirement of an engine by 0.25 - 0.32 MON [27,28,38].
  777.  
  778. 7.13  What does water injection achieve?.
  779.  
  780. Water injection, as a separate liquid or emulsion with gasoline, or as a
  781. vapour, has been thoroughly researched. If engines can calibrated to operate 
  782. with small amounts of water, knock can be suppressed, hydrocarbon emissions 
  783. will slightly increase, NOx emissions will decrease, CO does not change
  784. significantly, and fuel and energy consumption are increased [113].
  785.  
  786. Water injection was used in WWII aviation engine to provide a large increase 
  787. in available power for very short periods. The injection of water does 
  788. decrease the dew point of the exhaust gases. This has potential corrosion 
  789. problems. The very high specific heat and heat of vaporisation of water 
  790. means that the combustion temperature will decrease. It has been shown that 
  791. a 10% water addition to methanol reduces the power and efficiency by about 
  792. 3%, and doubles the unburnt fuel emissions, but does reduce NOx by 25% [114]. 
  793. A decrease in combustion temperature will reduce the theoretical maximum 
  794. possible efficiency of an otto cycle engine that is operating correctly, 
  795. but may improve efficiency in engines that are experiencing abnormal 
  796. combustion on existing fuels. 
  797.  
  798. Some aviation SI engines still use boost fluids. The water-methanol mixtures 
  799. are used to provide increased power for short periods, up to 40% more - 
  800. assuming adequate mechanical strength of the engine. The 40/60 or 45/55 
  801. water-methanol mixtures are used as boost fluids for aviation engines because 
  802. water would freeze. Methanol is just "preburnt" methane, consequently it only 
  803. has about half the energy content of gasoline, but it does have a higher heat
  804. of vaporisation, which has a significant cooling effect on the charge. 
  805. Water-methanol blends are more cost-effective than gasoline for combustion 
  806. cooling. The high Sensitivity of alcohol fuels has to be considered in the 
  807. engine design and settings.
  808.  
  809. Boost fluids are used because they are far more economical than using the 
  810. fuel. When a supercharged engine has to be operated at high boost, the 
  811. mixture has to be enriched to keep the engine operating without knock. The 
  812. extra fuel cools the cylinder walls and the charge, thus delaying the onset 
  813. of knock which would otherwise occur at the associated higher temperatures.
  814.  
  815. The overall effect of boost fluid injection is to permit a considerable 
  816. increase in knock-free engine power for the same combustion chamber 
  817. temperature. The power increase is obtained from the higher allowable boost. 
  818. In practice, the fuel mixture is usually weakened when using boost fluid 
  819. injection, and the ratio of the two fuel fluids is approximately 100 parts 
  820. of avgas to 25 parts of boost fluid. With that ratio, the resulting 
  821. performance corresponds to an effective uprating of the fuel of about 25%, 
  822. irrespective of its original value. Trying to increase power boosting above 
  823. 40% is difficult, as the engine can drown because of excessive liquid [110].
  824.  
  825. Note that for water injection to provide useful power gains, the engine 
  826. management and fuel systems must be able to monitor the knock and adjust 
  827. both stoichiometry and ignition to obtain significant benefits. Aviation 
  828. engines are designed to accommodate water injection, most automobile engines 
  829. are not. Returns on investment are usually harder to achieve on engines that 
  830. do not normal extend their performance envelope into those regions. Water 
  831. injection has been used by some engine manufacturers - usually as an 
  832. expedient way to maintain acceptable power after regulatory emissions 
  833. baggage was added to the engine, but usually the manufacturer quickly 
  834. produces a modified engine that does not require water injection.
  835.  
  836. ------------------------------
  837.         
  838. Subject: 8. How can I identify and cure other fuel-related problems?
  839.           
  840. 8.1  What causes an empty fuel tank?
  841.  
  842. * You forgot to refill it.
  843. * Your friendly neighbourhood thief "borrowed" the gasoline - the unfriendly 
  844.   one took the vehicle. 
  845. * The fuel tank leaked. 
  846. * Your darling child/wife/husband/partner/mother/father used the car.
  847. * The most likely reason is that your local garage switched to an oxygenated 
  848.   gasoline, and the engine management system compensated for the oxygen
  849.   content, causing the fuel consumption to increase ( although the effect on
  850.   well tuned engines is only 2-4% ).
  851.  
  852. 8.2  Is knock the only abnormal combustion problem?                  
  853.  
  854. No. Many of the abnormal combustion problems are induced by the same 
  855. conditions, and so one can lead to another.
  856.  
  857. Preignition occurs when the air-fuel mixture is ignited prematurely by 
  858. glowing deposits or hot surfaces - such as exhaust valves and spark plugs. 
  859. If it continues, it can increase in severity and become Run-away Surface 
  860. Ignition (RSI) which prevents the combustion heat being converted into 
  861. mechanical energy, thus rapidly melting pistons. The Ricardo method uses an 
  862. electrically-heated wire in the engine to measure preignition tendency. The 
  863. scale uses iso-octane as 100 and cyclohexane as 0. 
  864. Some common fuel components:-
  865.              paraffins       50-100
  866.              benzene           26  
  867.              toluene           93
  868.              xylene          >100
  869.              cyclopentane      70
  870.              di-isobutylene    64
  871.              hexene-2         -26
  872.  
  873. There is no direct correlation between antiknock ability and preignition
  874. tendency, however high combustion chamber temperatures favour both, and so 
  875. one may lead to the other. An engine knocking during high-speed operation 
  876. will increase in temperature and that can induce preignition, and conversely 
  877. any preignition will result in higher temperatures than may induce knock.
  878.  
  879. Misfire is commonly caused by either a failure in the ignition system, or
  880. fouling of the spark plug by deposits. The most common cause of deposits
  881. was the alkyl lead additives in gasoline, and the yellow glaze of various 
  882. lead salts was used by mechanics to assess engine tune. From the upper 
  883. recess to the tip, the composition changed, but typical compounds ( going 
  884. from cold to hot ) were PbClBr; 2PbO.PbClBr; PbO.PbSO4; 3Pb3(PO4)2.PbClBr.
  885.   
  886. Run-on is the tendency of an engine to continue running after the ignition 
  887. has been switched off. It is usually caused by the spontaneous ignition of 
  888. the fuel-air mixture, rather than by surface ignition from hotspots or 
  889. deposits, as commonly believed. The narrow range of conditions for 
  890. spontaneous ignition of the fuel-air mixture ( engine speed, charge 
  891. temperature, cylinder pressure ) may be created when the engine is switched 
  892. off. The engine may refire, thus taking the conditions out of the critical 
  893. range for a couple of cycles, and then refire again, until overall cooling 
  894. of the engine drops it out of the critical region. The octane rating of the 
  895. fuel is the appropriate parameter, and it is not rare for an engine to 
  896. require a higher Octane fuel to prevent run-on than to avoid knock [27,28].
  897. Obviously, engines with fuel injection systems do not have the problem, and
  898. idle speed is an important factor. Later model carburettors have an idle
  899. stop solenoid which partially closes the throttle blades when the ignition
  900. key was off, and thus ( if set correctly ) prevents run-on.   
  901.             
  902. 8.3  Can I prevent carburetter icing?
  903.           
  904. Yes, carburettor icing is caused by the combination of highly volatile fuel, 
  905. high humidity and low ambient temperature. The extent of cooling, caused by 
  906. the latent heat of the vaporised gasoline in the carburettor, can be as much 
  907. as 20C, perhaps dropping below the dew point of the charge. If this happens, 
  908. water will condense on the cooler carburettor surfaces, and will freeze if 
  909. the temperature is low enough. The fuel volatility can not always be reduced 
  910. to eliminate icing, so anti-icing additives are used. In the US, anti-icing
  911. additives are seldom required because of the widespread use heated intake
  912. air and fuel injection [28].
  913.  
  914. Two types of additive are added to gasoline to inhibit icing:- 
  915. - surfactants that form a monomolecular layer over the metal parts that 
  916.   inhibits ice crystal formation. These are usually added at concentrations 
  917.   of 30-150 ppm.
  918. - cryoscopic additives that depress the freezing point of the condensed water 
  919.   so that it does not turn to ice. Alcohols ( methanol, iso-propyl alcohol, 
  920.   etc. ) and glycols ( hexylene glycol, dipropylene glycol ) are used at 
  921.   concentrations of 0.03% - 1%.
  922.  
  923. If you have icing problems, the addition of 100-200mls of alcohol to a full 
  924. tank of dry gasoline will prevent icing under moderately-cold conditions. 
  925. If you believe there is a small amount of water in the fuel tank, add 500mls 
  926. of anhydrous isopropyl alcohol as the first treatment, and isopropyl 
  927. alcohol is also preferred for more severe conditions. Oxygenated gasolines 
  928. using alcohols can also be used. It's important to ensure the alcohol is
  929. anhydrous, as some grades contain up to 30% water.
  930.    
  931. 8.4  Should I store fuel to avoid the oxygenate season?
  932.  
  933. No. The fuel will be from a different season, and will have significantly
  934. different volatility properties that may induce driveability problems. You 
  935. can tune your engine to perform on oxygenated gasoline as well as it did on 
  936. traditional gasoline, however you will have increased fuel consumption due 
  937. to the useless oxygen in the oxygenates. Some engines may not initially 
  938. perform well on some oxygenated fuels, usually because of the slightly
  939. different volatility and combustion characteristics. A good mechanic should 
  940. be able to recover any lost performance or driveability, providing the engine
  941. is in reasonable condition. 
  942.           
  943. 8.5  Can I improve fuel economy by using quality gasolines?
  944.  
  945. Yes, several manufacturers have demonstrated that their new gasoline additive
  946. packages are more effective than traditional gasoline formulations. Texaco 
  947. claimed their new vapour-phase fuel additive can reduce existing deposits by 
  948. up to 30%, improve fuel economy, and reduce NOx tailpipe emissions by 15%, 
  949. when compared to other advanced liquid phase additives [49]. The advertising 
  950. claims have been successfully disputed in court by Chevron - who demonstrated
  951. that their existing fuel additive already offered similar benefits. Other 
  952. reputable gasoline manufacturers will have similar additive packages in their 
  953. premium quality gasolines [50]. Quality gasolines, of whatever octane 
  954. ratings, will include a full range of gasoline additives designed to provide 
  955. consistent fuel quality.
  956.  
  957. Note that oxygenated gasolines must decrease fuel economy for the same power.
  958. If your engine is initially well-tuned on hydrocarbon gasolines, the 
  959. stoichiometry will move to lean, and maximum power is slightly rich, so
  960. either the management system ( if you have one ) or your mechanic has to 
  961. increase the fuel flow. The minor improvements in combustion efficiency that
  962. oxygenates may provide, can not compensate for 2+% of oxygen in the fuel 
  963. that will not provide energy.         
  964.  
  965. 8.6  What is "stale" fuel, and should I use it?
  966.  
  967. "Stale" fuel is caused by improper storage, and usually smells sour. The 
  968. gasoline has been allowed to get warm, thus catalysing olefin decomposition 
  969. reactions, and perhaps also losing volatile material in unsealed containers. 
  970. Such fuel will tend to rapidly form gums, and will usually have a significant 
  971. reduction in octane rating. The fuel can be used by blending with twice the 
  972. volume of new gasoline, but the blended fuel should be used immediately,
  973. otherwise teh old fuel will catalyse rapid decomposition of the new, 
  974. resulting in even larger quantities of stale fuel. Some stale fuels can drop 
  975. several octane numbers, so be generous with the dilution. 
  976.                
  977. 8.7  How can I remove water in the fuel tank?
  978.  
  979. If you only have a small quantity of water, then the addition of 500mls of 
  980. dry isopropanol (IPA) to a near-full 30-40 litre tank will absorb the water,
  981. and will not significantly affect combustion. Once you have mopped up the 
  982. water with IPA, small, regular doses of any anhydrous alcohol will help 
  983. keep the tank dry. This technique will not work if you have very large 
  984. amounts of water, and the addition of greater amounts of IPA may result in 
  985. poor driveability. 
  986.  
  987. Water in fuel tanks can be minimised by keeping the fuel tank near full, and 
  988. filling in the morning from a service station that allows storage tanks to 
  989. stand for several hours after refilling before using the fuel. Note that 
  990. oxygenated gasolines have greater water solubility, and should cope with 
  991. small quantities of water.
  992.  
  993. 8.8  Can I used unleaded on older vehicles?
  994.  
  995. Yes, providing the octane is appropriate. There are some older engines that 
  996. cut the valve seats directly into the cylinder head ( eg BMC minis ). The 
  997. absence of lead, which lubricated the valve seat, causes the very hard 
  998. oxidation products of the exhaust valve to wear down the seat. This valve 
  999. seat recession is usually corrected by installing seat inserts, hardening
  1000. the seats, or use of specific valve seat recession protection additives 
  1001. ( such as Valvemaster ). Most other problems arise because the fuels have 
  1002. different volatility, or the reduction of combustion chamber deposits. 
  1003. These can usually be cured by reference to the vehicle manufacturer, who 
  1004. will probably have a publication with the changes. Some vehicles will 
  1005. perform as well on unleaded with a slightly lower octane than recommended 
  1006. leaded fuel, due to the significant reduction in deposits from modern 
  1007. unleaded gasolines. If premium unleaded petrol containing relatively
  1008. high levels of aromatics is used, some carburetted engines from the 1960s
  1009. may experience spark plug fouling, however most vehicle manufacturers
  1010. have guides to ensure careful engine tuning will eliminate most of the
  1011. problem.
  1012.