Введение

Измерение характеристик дизельного топлива. Цетановое число (CN) является показателем скорости воспламенения дизельного топлива и степени сжатия, необходимой для его зажигания. Оно играет аналогичную роль для дизельного топлива, как октановое число для бензина. Цетановое число – важный фактор, определяющий качество дизельного топлива, но не единственный; другие показатели качества дизельного топлива включают (но не ограничиваются ими) энергетическую ценность, плотность, смазывающую способность, низкотемпературные свойства и содержание серы.

Определение

Цетановое число топлива определяется путем нахождения смеси цетана и изоцетана с одинаковой задержкой воспламенения. Цетан имеет цетановое число, установленное равным 100, в то время как измеренное цетановое число изоцетана составляет 15, заменяя прежнее эталонное топливо альфа-метилнафтален, которому было присвоено цетановое число 0. После определения состава смеси, цетановое число рассчитывается как средневзвешенное по объему, округленное до ближайшего целого числа, значений 100 (для цетана) и 15 (для гептаметилнонана). В Финляндии дизельное топливо премиум-класса, продаваемое сетями заправочных станций St1 (Diesel Plus), Shell (содержащее GTL) и ABC (Smart Diesel), имеет минимальное цетановое число 60, при типичном значении 63. Дизельное топливо Neste MY Renewable Diesel, продаваемое в Финляндии, имеет минимальное цетановое число 70. В Северной Америке большинство штатов приняли стандарт ASTM D975 в качестве стандарта для дизельного топлива, и минимальное цетановое число установлено на уровне 40, при типичных значениях в диапазоне 42-45. Дизельное топливо премиум-класса может иметь или не иметь более высокое цетановое число в зависимости от поставщика. Дизельное топливо премиум-класса часто использует добавки для повышения цетанового числа и смазывающих свойств, моющие присадки для очистки топливных форсунок и минимизации образования отложений углерода, водоотделители и другие добавки в зависимости от географических и сезонных потребностей. Дизельное топливо в Калифорнии имеет минимальное цетановое число 53. В рамках программы Texas Low Emission Diesel (TxLED) в 110 округах дизельное топливо должно иметь цетановое число 48 или выше, либо использовать утвержденную альтернативную рецептуру, либо соответствовать установленным альтернативным пределам. Дизельное топливо Neste MY Renewable Diesel, продаваемое в Северной Америке, имеет цетановое число 70+.

Добавки

В качестве добавок для повышения цетанового числа используются алкилнитраты (преимущественно 2-этилгексилнитрат) и ди-трет-бутилпероксид.

Альтернативное топливо

Биодизель из растительных масел имеет цетановое число в диапазоне от 46 до 52, а биодизель на основе животных жиров – от 56 до 60. Диметилэфир является перспективным дизельным топливом, поскольку обладает высоким цетановым числом (55-60) и может производиться как биотопливо. Большинство простых эфиров, включая жидкие, такие как диэтиловый эфир, могут использоваться в качестве дизельного топлива, хотя их смазывающие свойства могут вызывать опасения.

Химическая значимость

Цетан – углеводород с химической формулой C16H34 и, в частности, структурной формулой CH3(CH2)14CH3. Также известный как н-гексадекан, это неразветвленный насыщенный алкан. Цетан воспламеняется с короткой задержкой при сжатии и имеет цетановое число 100. Альфа-метилнафтален, характеризующийся длительным периодом задержки, был присвоен цетановый номер 0, но в качестве эталонного топлива он был заменен 2,3,4,5,6,7,8-гептаметилнонаном, которому присвоено цетановое число 15. Все остальные углеводороды в дизельном топливе оцениваются по цетану в соответствии со скоростью их воспламенения при сжатии, то есть в условиях дизельного двигателя. Поскольку дизельное топливо состоит из сотен компонентов, общее цетановое число топлива является средним цетановым качеством всех его компонентов. Компоненты с высоким цетановым числом оказывают непропорционально большое влияние, поэтому используются добавки, повышающие цетановое число.

Измерение цетанового числа

Цетановые числа довольно трудно точно измерить, поскольку для этого требуется специальный дизельный двигатель, называемый двигателем Cooperative Fuel Research (CFR). В стандартных условиях испытаний оператор двигателя CFR использует ручное колесо для увеличения степени сжатия (и, следовательно, максимального давления внутри цилиндра) двигателя до тех пор, пока время между впрыском топлива и воспламенением не составит 2,407 мс. Полученное цетановое число затем рассчитывается путем определения, какая смесь цетана (гексадекана) и изоцетана (2,2,4,4,6,8,8-гептаметилнонана) обеспечит такую же задержку воспламенения.

Тестер качества зажигания (IQT)

Другим надежным методом измерения полученного цетанового числа (DCN) дизельного топлива является тестер качества воспламенения (IQT). Этот прибор использует более простой и надежный подход к измерению CN, чем CFR. Топливо впрыскивается в камеру сгорания постоянного объема при температуре около 575 °C, и время между началом впрыска и восстановлением давления в камере сгорания до исходного значения определяется как задержка воспламенения. Затем эта измеренная задержка воспламенения используется для расчета DCN топлива. Значение DCN топлива рассчитывается на основе эмпирической обратной зависимости от задержки воспламенения. Благодаря воспроизводимости, низкой стоимости материалов и скорости работы, IQT является основным источником данных для измерения DCN топлива с конца 2000-х годов.

Тест на зажигание топлива

Еще одним надежным методом измерения полученного цетанового числа дизельного топлива является тестер зажигания топлива (FIT). Этот прибор использует более простой и надежный подход к измерению CN, чем CFR. Топливо впрыскивается в камеру сгорания постоянного объема, в которой температура окружающей среды составляет приблизительно 575 °C. Топливо воспламеняется, и высокая скорость нарастания давления в камере определяет момент начала сгорания. Затем задержка воспламенения топлива рассчитывается как время, прошедшее между началом впрыска топлива и началом сгорания. Полученное цетановое число топлива затем вычисляется с использованием эмпирической обратной зависимости от задержки воспламенения.

Индекс кетана

Другая характеристика, используемая потребителями топлива для контроля качества, – это индекс цетана (CI), представляющий собой расчетное значение, основанное на плотности и диапазоне дистилляции топлива. Существуют различные варианты его определения, в зависимости от используемых единиц измерения (метрических или имперских) и количества точек дистилляции. В настоящее время большинство нефтяных компаний применяют "четырехточечный метод", описанный в ASTM D4737, который базируется на плотности и температурах отгонки 10%, 50% и 90%. "Двухточечный метод", определенный в ASTM D976, использует только плотность и температуру отгонки 50%. Этот двухточечный метод склонен к завышению индекса цетана и не рекомендуется к применению. Расчет индекса цетана не учитывает добавки, повышающие цетановое число, и поэтому не отражает общее цетановое число дизельного топлива с добавками. Работа дизельного двигателя в первую очередь связана с фактическим цетановым числом, а индекс цетана является лишь приблизительной оценкой цетанового числа базового (немодифицированного) топлива.

Промышленные стандарты

Промышленные стандарты для определения цетанового числа — ASTM D613 (ISO 5165) для CFR-двигателя, D6890 для IQT и D7170 для FIT.