Что такое цетановое число и какие свойства топлива оно характеризует

Цетановое число — характеристика воспламеняемости дизельного топлива, определяющая период задержки горения рабочей смеси (то есть свежего заряда) (промежуток времени от впрыска топлива в цилиндр до начала его горения). Чем выше цетановое число, тем меньше задержка и тем более спокойно и плавно горит топливная смесь.

Цетановое число численно равно объёмной доле цетана (С16Н34, гексадекана), цетановое число которого принимается за 100, в смеси с α-метилнафталином (цетановое число которого, в свою очередь, равно 0), когда эта смесь имеет тот же период задержки воспламенения, что и испытуемое топливо в тех же условиях. Именно такая формулировка была принята в первой версии метода ASTM D613 выпуска 1941 года.

В новых версиях ASTM D613, начиная с 1962 года, для смешения используется не α-метилнафталин, а 2,2,4,4,6,8,8-гептаметилнонан, иногда называемый ГМН (англ. HMN) или изоцетан, которому присвоено цетановое число 15. В ГОСТ 3122 до сих пор предписывается использовать смесь н-гексадекана и α-метилнафталина. Для исключения α-метилнафталина из ASTM D613 было несколько причин: во-первых, он легко образует пероксиды, которые меняют цетановое число основанных на нём смесей, во-вторых, возникло подозрение, что он обладает канцерогенным действием. Он также обладает неприятным запахом, и его сложно получить в достаточно чистом виде[1],[2].

Когда дизельное топливо характеризуется такой же воспламеняемостью, определённой на опытном двигателе (ASTM D613, EN 5165, ISO 5165, ГОСТ 3122), что и модельная смесь этих двух углеводородов, цетановое число данного топлива считается равным % доли цетана в этой смеси. Чем оно больше, тем лучше воспламеняемость смеси при сжатии.

Оптимальную работу современных дизельных двигателей обеспечивают дизельные топлива с цетановым числом от 45 до 55. При цетановом числе меньше 40 резко возрастает задержка горения (время между началом впрыскивания и воспламенением топлива) и скорость нарастания давления в камере сгорания, увеличивается износ двигателя. Стандартное топливо характеризуется цетановым числом 48-51, а топливо высшего качества (премиальное) имеет цетановое число 51-55. Согласно российским стандартам и стандарту Таможенного Союза (ГОСТ Р 52368-2005, ГОСТ 32511-2013), цетановое число летнего и зимнего дизтоплива должно быть не менее 48 единиц, согласно ГОСТ 305—2013 — не менее 45 единиц. Кроме того, технические условия для зимних сортов с депрессорными присадками разрешают выпуск арктического топлива с цетановым числом не менее 40.

Премиальное дизельное топливо более лёгкое, содержит больше легковоспламеняющихся лёгких фракций и поэтому более пригодно для запуска двигателя в холодную погоду. Кроме того, отношение водорода к углероду в лёгких фракциях выше, поэтому при сгорании такого дизельного топлива образуется меньше дыма.

При цетановом числе больше 60 снижается полнота сгорания топлива, возрастает дымность выхлопных газов, повышается расход топлива.

Цетановое число зависит от группового состава топлива (доли парафинов, олефинов, нафтенов, ароматики)[3]. Парафины, способные к самовоспламенению при низких температурах, являются полезным компонентом дизельного топлива. Неразветвлённые алифатические углеводороды воспламеняются при низкой температуре и давлении, тогда как более прочные молекулы — например, ароматические углеводороды — требуют более жёстких условий для воспламенения.

Измерение цетанового числа[править | править код]

Цетановое число, определённое на опытном двигателе типа Waukesha (ASTM D 613, EN 5165, ISO 5165), ранее было единственным надёжным методом определения цетанового числа. В России разрешалось также использовать ГОСТ 3122, в котором добавлялась отечественная установка ИДТ-90, не прошедшая международных испытаний на воспроизводимость результатов.

Несмотря на то, что метод с использованием стандартного двигателя до сих пор считается арбитражным, у него есть ряд серьёзных недостатков[3]:

• громоздкое, дорогостоящее и шумное оборудование, требующее специально оборудованного машзала;
• большой объём пробы, уходящей на один анализ (до 1 л);
• большая длительность анализа (иногда — до нескольких часов);
• низкие показатели прецизионности.

В связи с этим в отрасли постоянно ведутся исследования, направленные на поиск альтернатив моторным методам определения цетанового и октанового числа.

Прямые методы определения цетанового числа (по задержке воспламенения)[править | править код]

Имеется ряд немоторных методов прямого определения задержки воспламенения. В этом случае применяется не одноцилиндровый двигатель с переменной степенью сжатия, а камера постоянного объёма. С 2009 года в EN590 и соответствующий российский ГОСТ Р 52368-2005 введён метод задержки воспламенения EN 15195 (ГОСТ Р ЕН 15195-2011), который показывает хорошую сходимость с моторным методом при улучшении точности, воспроизводимости и сокращении теста до 20 мин.

Основной проблемой измерения цетанового числа немоторными методами является сильное влияние состава дизельного топлива. Приборы по методу ГОСТ Р ЕН 15195-2011 (и аналогичные ASTM D7170 и ASTM D6890) не всегда правильно определяют цетановое число для топлив сложного состава — например, для биодизеля. Это связано с тем, что разные компоненты топлива воспламеняются с разной скоростью,— то есть, возникает необходимость измерять условия в камере сгорания не в одной временной точке, а в нескольких.

В марте 2014 года вышел новый стандарт ASTM D7668, описывающий более эффективный метод определения получаемого цетанового числа с измерением задержки воспламенения в нескольких точках. В 2015 году этот метод принят под обозначением EN 16715, в октябре 2017 г. он включён в ТУ на дизельное топливо «евро» EN 590.

Непрямые методы определения цетанового числа[править | править код]

Непрямые методы определения цетанового числа в основном опираются на анализ компонентного состава. В основном это различного рода инфракрасные спектрометры, однако есть примеры и успешного использования для этой цели хроматографии и масс-спектрометрии[3]. Инфракрасные экспресс-анализаторы необходимо перекалибровывать при любом изменении состава дизельного топлива — например, при его смешении с биодизелем. Кроме того, они неспособны работать с топливом, в которое добавлены улучшители цетанового числа.

Ссылки[править | править код]

• Цетановое число
• ГОСТ 305-82. Топливо дизельное
• Цетановое число, способ измерения
• Herzog CID 510 — измерение цетанового числа методом определения задержки воспламенения по ASTM D7668

См. также[править | править код]

• Октановое число
• Метановое число

Примечания[править | править код]

Октановое число – характеристика, отображающая, насколько эффективно топливо противостоит воспламенению при сжатии в цилиндрах. Фактически этот показатель описывает детонационную стойкость бензина: чем выше оно, тем меньше топливо склонно к детонации.

Если оно будет ниже нормативных показателей, нарушится ровная работа ДВС: вместо горения со скоростью до 60 м/с, топливо будет взрываться со скоростью до 2500 м/с. Это сопровождается неприятным звуком, снижением мощности, ускоренным износом двигателя.

Детонация связана с повышенным образованием гидропероксидов в бензиновых парах. Они окисляются кислородом, который содержится в воздухе, и происходит резкий энерговыброс.

Взрывной процесс представляет собой разветвленно-цепную реакцию. А чтобы повысить детонационную стойкость, используют один из двух методов:

• В состав вводятся разветвленные и ароматические соединения.
• Активно используются специальные присадки.

Именно последний метод применяют на российских АЗС. Если улучшенный таким образом бензин не соответствуют техническим параметрам качества, после заправки на свечах образуется нагар.

Методика определения октанового числа

Еще в 30-х годах прошедшего столетия разработали специальную шкалу. По ней сравнивается детонационная стойкость исследуемого бензина и стандартной смеси. Как стандартные эталоны используют 2 вещества:

1) Гептан

Воздушная смесь, сочетаясь с парами гептана, способна быстро детонировать. Качество такого топлива – «нулевое».

2) Изооктан

Он представляет собой разветвленный углеводород с высокой устойчивостью к детонации. Его качество условно приравняют к максимальному – 100.

Для исследования готовят смесь изооктана с гептаном, характеристики которой такие же, как у тестируемого бензина. Далее просто определяют процентную долю изооктана в смеси.

Благодаря добавлению уникальных горючих жидкостей добиваются повышения ОЧ до более высокого уровня – свыше 100. В таких случаях руководствуются условной шкалой, где за основу взят изооктан с тетраэтилсвинцом.

Достаточно знать, сколько тетраэтилсвинца нужно добавить в изооктан для приготовления смеси, аналогичной тестируемому бензину, чтобы определить, каким будет ОЧ – 101, 102, 103 и т. д.

Разновидности

• Исследовательское (ОЧИ).

Для определения ОЧИ служит одноцилиндровая установка. Коленвал вращается с частотой 600 оборотов в минуту. Степень сжатия – переменная. Угол опережения зажигания – 13°. ОЧИ демонстрирует, как бензин поведет себя при малой или средней нагрузке.

• Моторное (ОЧМ).

Задействуют ту же одноцилиндровую установку. Но коленвал вращается уже с частотой 900 оборотов в минуту. А смесь всасывается при температуре большей на 97°С, нежели в первом случае. От ОЧМ зависит, как бензин будет вести себя при солидных нагрузках.

Для большинства инжекторных моторов оно должно варьироваться в пределах от 91 до 98. Так как многие российские АЗС продают низкосортное топливо под видом высокооктанового, есть смысл обезопасить себя.

Достаточно просто добавить в бензин присадку FuelEXx, чтобы увеличить октановый показатель на 3–5 единиц. Катализатор горения не изменит химического состава бензина, но преобразит молекулы углеводорода. В итоге смесь будет сгорать более полноценно. Благодаря этому экономия достигнет 10–15%, а крутящий момент возрастет до 10%.

Цетановое число дизтоплива

Является главной характеристикой воспламеняемости и сгорания дизтоплива в моторе. Чем оно выше, тем спокойнее и полноценней выгорает топливная смесь.

В численном выражении этот показатель сопоставим с объемной долей цетана в специально приготовленной смеси. Эта смесь состоит из гексадекана и α-метилнафталина с таким же периодом задержки, как и в тестируемом топливе.

Для стандартных моторов оптимальным считается дизтопливо, цетановое число которого варьируется от 40 до 55. Наиболее качественным признано дизтопливо с показателем от 51 до 55 ед. Премиальная солярка легче, в ней содержатся легковоспламеняющиеся фракции, которые способствуют быстрому запуску мотора при минусовых температурах. При её использовании заметно снижается дымность.

Цетановое число дизтоплива зависит от того, какие парафины, ароматики, олефины и нафтены входят в его состав. Для измерения используют стандартную силовую установку Waukesha либо ИДТ-90. Альтернативой может стать камера с постоянным объемом, тестирование этим методом, в отличие от первого, занимает не более 20 мин.

Эффективным способом повышения  признан FuelEXx Diesel. Он увеличивает этот показатель на 3–5 единиц. Вместе с этим из топлива удаляется вода, происходит раскоксовка поршневых колец, очистка камеры сгорания. Это подтверждено стендовыми и дорожными испытаниями.