Цетановое число в дизельном топливе: определение, повышение

Что такое цетановое число?

Одним из главных критериев качественного дизельного топлива является его устойчивость к самовоспламенению. Именно этот параметр и описывается при помощи цетанового числа. Если рассмотреть более подробно, то цетановое число дизельного топлива характеризует интервал времени, за который жидкость поступает в цилиндр до начала его воспламенения. Чем больше будет значение цетанового числа, тем меньше уйдёт времени на воспламенение. Соответственно, тем быстрее запустится мотор и меньше времени уйдёт на так называемое «белое дымление».

Не стоит забывать, что высокий параметр цетанового числа сказывается на ускорении функционирования силового агрегата автомобиля и делает его на порядок мощнее.

Зачем знать

Зная параметр цетанового числа, можно определить степень экологичности топлива, потому что на способность жидкости к самовоспламенению оказывает влияние углеводородный состав.

К примеру, соединения, содержащие в составе парафин, подвержены воспламенению в большей степени, нежели ароматические углеводороды. Соответственно, чем меньше в составе топлива будет именно ароматических углеводородов, тем большим будет параметр цетанового числа.

Если рассматриваемое число в дизельном топливе будет меньше 40, тогда мотор автомобиля будет функционировать на пределе своих возможностей. Очень часто в таком жёстком режиме появляется глухой стук на холостых оборотах, а также идёт более быстрый износ всех деталей механизма.

Стандарт

Согласно строгим нормативам ГОСТ, оптимальная работа двигателя будет обеспечена горючим с цетановым числом не менее 45 для дизельного топлива летних и зимних марок и 40 — для арктических горюче-смазочных материалов. Несмотря то, что не представляет сложностей купить с доставкой дизельное топливо с этим показателем ниже 40, лучше не экономить на горючем и приобретать высококачественные материалы для заправки.

Горючее низкого качества характеризуется длительной задержкой воспламенения. При этом резко возрастает давление в камере сгорания, что увеличивает износ двигателя. При длительном использовании низкоцетанового горючего возможны поломки и выход из строя автомобиля раньше времени.

Премиальные горюче-смазочные материалы содержат больше легковоспламеняющихся фракций. Они более легкие, лучше адаптированы для запуска двигателя в холодных условиях низких температур. Также это горючее отличается отношением водорода к углероду. Оно выше, поэтому при сгорании такое топливо выделяет меньше дыма.

Что такое октановое число для дизеля?

Это показатель стойкости топлива к детонации. Чем, октановое выше число дизельного топлива, тем меньшая вероятность детонации, попадающей в камеры сгорания смеси. То есть взрыва горючего. Солярку можно сжать до критического показателя, а самопроизвольного возгорания не произойдет. При резком сжатии с топливом происходят сложные химические изменения в ее составе.

Детонация — опасный процесс, сравнимый с резким подъемом артериального давления у людей. Это похоже на гипертонию у человека. Может протекать скрытно, может показать неожиданно высокое давление, вызвать инфаркт. Детонация дизельного двигателя способна разрушить силовую установку. Словом, есть существенные отличия октанового числа, от силового агрегат, работающего на бензине.

Чем октан отличается от цетана: Бензин против дизеля

Сегодня мы поговорим о таком редко обсуждаемом обывателями явлении, как октановое и цетановое числа в топливе. Что это такое в сравнении одно с другим? В чем разница? Где применяется октан, а где цетан? И нужно ли мне это знать?

Как измерить цетановое число?

Цетановое число определяют при помощи сравнения с эталонным показателем, в качестве которого принимают время воспламенения цетана в смеси с α-метилнафталином. Цетановое число этого вещества приравнивается к 100%. Рассмотрим особенности влияния этого параметра на работы двигателя:

• оптимальная работа двигателя может достигаться только при работе на топливе с цетановым числом 40-55;
• если наблюдается уменьшение значения цетанового числа, то период задержки воспламенения после сжатия возрастет. А это, в свою очередь, приведет к сбоям в работе двигателя, уменьшению давления при рабочем ходе и уменьшению мощности;
• если цетановое число дизельного топлива находится на уровне 55, то такое горючее можно отнести к премиум-классу;
• дальнейшее увеличение цетанового числа нецелесообразно, поскольку оно приведет к пагубному влиянию топлива на работу дизельной установки. Применение горючего с цетановым числом более 55 будет способствовать неполному сгоранию с образованием чрезмерного количества сажи и копоти. Возрастет также и расход топлива.

В России действуют стандарты, накладывающее ограничения на нижнее значение цетанового числа: оно не может быть меньше 40 как для быстроходных, так и для тихоходных установок.

Для измерения цетанового числа применяют опытный мотор. Cначала в России этот показатель определялся в соответствии с рекомендациями ГОСТ 3122, но установка отечественного производства ИДТ-90 не смогла пройти международных испытаний на воспроизводимость результатов. В 2009 году в международный стандарт EN590 и российский ГОСТ был введен еще один способ. Он показал хорошую сходимость, лучшую точность,  уменьшил время испытаний на 20 минут.

ГОСТ 3122-67 “Топлива дизельные. Метод определения цетанового числа” впервые был введен в действие 1 января 1968 года.

При измерении цетанового числа некоторными методами приходится сталкиваться с проблемой зависимости результата от состава дизельного топлива. Моторный подход дает правильные цифры в отношении топлив с любым фракционным составом, а различные экспресс-анализаторы требуют перекалибровки при переходе с одного вида нефтепродукта на другой, что очень неудобно.

Для определения значения цетанового числа можно задействовать три подхода: совпадения вспышек, запаздывания воспламенения и критическую степень сжатия. Чаще всего используется «метод совпадения вспышек», реализующийся на установках:

• ИТ9-3;
• ИТ9-3М;
• ИТД-69.

По конструкции — это одноцилиндровые четырехтактные двигатели, оборудованные специальным образом. При выполнении исследований частоту вращения вала мотора нужно поддерживать постоянной на уровне 900±10 об/мин.

Во многом цетановое число топлива зависит от его углеводородного состава. Ароматические углеводороды имеют самые низкие цетановые числа, а парафиновые — самые высокие.

От чего зависит

Дизельное топливо представляет собой смесь разнокомпонентных углеводородов. В большем количестве в нем представлены соединения следующих типов:

• Ароматические углеводороды;
• Парафиновые С10-С16 с прямой цепочкой, а также их изомеры;
• Олефиновые углеводороды с числом атомов от 8 до 13;
• Нафтеновые углеводороды.

В зависимости от сорта сырой нефти получаемое дизельное топливо будет более или менее чистым, количество легковоспламеняющихся углеводородов будет определять цетановое число горючего. Так, светлая нефть отличается высоким содержанием легких парафинов и, соответственно, высоким цетановым числом. Тяжелые сорта нефти требуют длительной и глубокой переработки. При этом выделяется большое количество изомеров, и для доведения до стандарта это сырье должно пройти многокомпонентную обработку, повышающую ее конечную цену.

Нежелательны в составе нефти непредельные углеводороды. Эти соединения легко полимеризуются, образуя тяжелые, смолистые осадки. Они забивают двигатели, засоряют форсунки и способствуют раннему износу автомобиля. Ароматические углеводороды удаляют из горючего по ряду причин:

1. Они обладают низким содержанием водорода и высокой молекулярной массой. Эти качества создают условия для образования большого количества продуктов сгорания, при этом часть ароматических углеводородов (бензол, толуол) являются канцерогенными;
2. Эти соединения активно поглощают воду из паров воздуха. Такое свойство способствует образованию ледяных кристаллов при низких температурах в осенне-зимний сезон, что отрицательно сказывается на форсунках и может привести к остановке двигателя.

Однако горючее с высоким цетановым числом не всегда является панацеей и положительно влияют на качество сгораемой смеси. Так, в условиях непрогретого двигателя, при работе в суровых условиях при очень низких температурах такое дизельное топливо сгорает не полностью, что вызывает проблемы с поршневой системой. 

Как применять топлива с различным цетановым числом?

В состав дизельного топлива с цетановым числом 50-55 входит большое количество легких фракций, склонных к быстрому самовоспламенению. А это достаточно удобно при запуске дизельных двигателей в холодную пору года. Более полное сгорание топливной смеси с образованием меньшего количества копоти и дыма в этом случае достигается за счет высокого соотношения фракций водорода к углероду.

Конкретная величина цетанового числа во многом определяется компонентами, входящими в состав дизельного топлива. Среди них стоит отметить парафины, нафтены, ароматические вещества, олефины и т.д.

Увеличение количества парафинов хорошо сказывается на воспламеняемости топлива, поскольку они способствуют бесперебойной работе двигателей в условии низких температур, а также положительно влияют на общий коэффициент полезного действия.

Повышение цетанового числа в процессе производства

Величина цетанового числа дизельного топлива зависит от его фракционного состава. Так наибольшие показатели имеют парафиновые углеводороды нормального строения. Самые низкие цетановые числа у ароматических углеводородов, которые не имеют боковых цепей. Таким образом, конечное значение напрямую зависит от того, в каких пропорциях эти соединения содержатся в составе дизельного топлива.

Чем выше цетановое число, тем больше затраты на его производство. Для экономии средств, производители довольно часто применяют присадки, с помощью которых можно увеличить значение на 2-7-единиц. Обычно для этой цели используется изопропил или циклогексилнитраты. Дальнейшее повышение добавлением присадок недопустимо, поскольку ухудшаются другие показатели дизельного топлива.

Самостоятельное повышение цетанового числа

Требования к воспламеняемости горючего предъявляются, исходя из параметров двигателей. Чем выше рабочие обороты, тем выше должно быть цетановое число дизтоплива. Так, низкооборотистые судовые дизельные моторы нормально работают даже на топливе, с показателем 20, а для некоторых высокооборотистых двигателей значение должно быть не менее 55.

Оптимальным для современных автомобильных дизелей считается топливо, показатели которого находится в промежутке от 40 до 55.

В зависимости от сезона это значение меняется:

• у летнего оно ниже (40-45);
• у зимнего выше (до 55).

К сожалению, нередки случаи, когда на заправочных станциях продается горючее, имеющее недопустимо низкое цетановое число. Проблема осложняется тем, что его определение ни по каким внешним признакам невозможно — ни по цвету, ни по запаху — оно не отличается от нормального, суррогат выдает только более жесткий звук работы дизельного двигателя и перебои в работе.

Если случилось так, что в топливный бак оказалось залито некачественное дизтопливо, можно повысить его цетановое число путем добавления присадок. Желательно заранее иметь в багажнике соответствующие средства, поскольку на заправочной станции их вполне может не быть.

Чем грозит использование неподходящего дизтоплива

Многие автомобилисты задаются вопросом, что будет, если летом заправлять машину зимним топливом. Вопрос этот возникает в связи с тем, что цетановое число зимнего горючего по определению выше, а значит, должно быть более качественным. Однако определение, что качество и эксплуатационные свойства дизтоплива характеризует только этим, абсолютно неверно.

На самом деле, применение топлива с большим цетановым числом мотору не повредит, если, конечно, оно вписывается в рекомендованные автопроизводителем пределы.

Если же значение окажется слишком большим для конкретного дизельного двигателя, это приведет:

1. к повышению расхода горючего;
2. снижению экологичности мотора.

Аналогично можно ответить и в обратной ситуации — применение низкоцетанового топлива также не навредит силовому агрегату, если его цетановое число соответствует рамкам, установленным производителем автомобиля.

Если же значение ниже требуемого, то:

• у работающего дизеля появится жесткий звук;
• его детали будут усиленно изнашиваться.

Однако вопрос о возможности использования зимнего дизельного топлива летом требует более развернутого ответа. Дело в том, что эти два сорта дизтоплива имеют разный химический состав, и, помимо цетанового числа, различаются по другим своим свойствам.

Летнее горючее предназначено для применения при положительных температурах. После того, как температура окружающей среды, а вместе с ней и температура топлива в баке упадет до нуля, летнее дизельное топливо перестанет проходить через фильтр.

Зимнее дизтопливо, имеет гораздо более низкие температуры помутнения, застывания, и предельной фильтруемости, благодаря чему, его и возможно применять в холодное время года. Однако оно имеет худшие, по сравнению с летним, характеристики.

Причина кроется в том, что при его выработке, из углеводородной смеси, приходится удалять циклопарафины и заменять из ароматическими углеводородами, а утраченные свойства компенсируются (хотя и не в полной мере) присадками. В итоге цетановое число повышается, но эксплуатационные характеристики снижаются.
У мотора, работающего на зимнем дизельном топливе, наблюдается небольшое падение мощности, повышенное коксообразование в цилиндрах, ухудшается приемистость. Таким образом, от использования зимнего горючего летом лучше отказаться и рассматривать такой вариант как вынужденную меру, хотя ничего смертельного для двигателя в этом нет.

Применение на практике

Большинство современных дизельных двигателей рассчитаны на топливо с цетановым числом в пределах 40 55 единиц. Выход за этот диапазон чреват проблемами:

• при слишком низком значении (ниже 40) возрастает задержка воспламенения, падает мощность и увеличивается износ двигателя;
• повышенная скорость воспламенения (выше 55) также нежелательна. Такое горючее сгорает не полностью, увеличивается дымность и расход.

Согласно отечественным стандартам (ГОСТ Р 52368-2005, ГОСТ 32511-2013), минимальное цетановое число летнего и зимнего дизельного топлива должно составлять не менее 48 единиц. Минимальный показатель в соответствии с экологическими стандартами, начиная с «Евро-3», — 51 единица.

Конкретный показатель цетанового числа в основном зависит от фракционного состава топлива: количества парафинов, олефинов, ароматических углеводородов и т. д. Более легкие парафиновые фракции воспламеняются быстрее, тяжелые ароматические — медленнее. Премиальное топливо содержит больше легких фракций и обладает цетановым числом в пределах 51 55 единиц.

Повышение данного показателя также возможно за счет добавления различных присадок. Как правило, это азот- или кислородсодержащие органические соединения, вызывающие реакции предпламенного окисления углеводородов.