ХИМИЯ НЕФТИ

Цетановое число дизельного топлива

Показатель дизельного топлива, который характеризует мягкий или жесткий режим эксплуатации дизельного двигателя, подлежит оценке по его самовоспламеняемости. Данная характеристика определяется посредством сравнения дизеля на двух топливах: фактическом и эталонном. Сравнительным показателем является цетановое число дизельного топлива.

Режимы работы дизельного двигателя

Воспламенение топлива, подаваемого в цилиндры дизельного двигателя, происходит не мгновенно, а через определенный промежуток времени, который носит название периода задержки самовоспламенения.

Чем меньше значение периода задержки самовоспламенения, тем за более длительный временной промежуток происходит сгорание топлива в цилиндрах дизельного двигателя. Нарастание давления газов при этом происходит плавно, и двигатель функционирует без резких стуков - такой режим работы дизель называется мягким.

При значительном периоде задержки самовоспламенения сгорание топлива происходит за короткий временной промежуток, давление газов при этом возрастает практически мгновенно, поэтому дизельный двигатель функционирует со стуком - такой режим работы дизеля называется жёстким.

Более высокое значение цетанового числа дизельного топлива сокращает период задержки его самовоспламенения, а значит, чем оно выше тем мягче функционирует дизельный двигатель.

Что означает цетановое число дизельного топлива

Оценка показателя самовоспламеняемости дизельного топлива обычно производится посредством его сравнения со значениями самовоспламеняемости топлив-эталонов. В качестве топлив-эталонов принимаются:

• парафиновый углеводород нормального строения цетан (структурная формула - С₁₆Н₃₄), характеризующийся малым значением периода задержки самовоспламенения (величина самовоспламеняемости цетана принимается равной 100);
• углеводород ароматической структуры α-метилнафталин (структурная формула - С₁₀Н₇СН₃), характеризующийся большим периодом задержки самовоспламенения (величина его самовоспламеняемости принимается равной 0).

Значение цетанового числа дизельного топлива равняется содержанию цетана в процентах в смеси с α-метилнафталином, которая по характеристике сгорания (по своей самовоспламеняемости) идентична анализируемому топливу. Используя топлива-эталоны, можно приготовить смеси с произвольным цетановым числом в интервале от 0 до 100.

Определение цетанового числа дизельного топлива

Существует три метода определения цетанового числа дизельного топлива:

• по совпадению вспышек;
• по времени запаздывания самовоспламенения;
• по критической степени компремирования.

Стандартным методом определения цетанового числа дизельного топлива является "совпадение вспышек" по ГОСТ 3122-67 на установках:

• ИТ9-3;
• ИТ9-3М;
• ИТД-69.

Все перечисленные установки это одноцилиндровые четырехтактные двигатели, которые оборудованы для функционирования с воспламенением от компремирования:

• двигатели могут обеспечивать переменную компрессию ε=7 ÷ 23:
• угол опережения инжекции топлива выставляется равным 13° до верхней мертвой точки (В.М.Т);
• измененяя степень сжатия достигают, чтобы воспламенение случалось точно в В.М.Т;
• при испытании на цетановое число дизельного топлива одноцилиндровый двигатель должен иметь неизменную частоту вращения вала (n = 900 ± 10 об/мин).

После этого берут два образца топлив-эталонов:

• первый даёт идентичную вспышку (равную 13° задержку самовоспламенения) при меньшей компрессии;
• второй - при большем значении степени сжатия.

Используя интерполяцию определяется пропорция цетана и α-метилнафталина, аналогичная анализируемому топливу, и исходя из процентного содержания цетана определяется цетановое число анализируемого дизельного топлива.

Цетан и α-метилнафталин являются дорогостоящими веществами, поэтому при лабораторных испытаниях используются вторичные топлива:

• парафинистый газойль с ЦЧ = 55;
• зеленое масло с ЦЧ = 20.

Вторичные топлива-эталоны тарируются по первичным.

Цетановые числа углеводородов

Значение цетанового числа дизельного топлива зависит от его улеводородного состава, градация углеводородов по уменьшению цетанового числа будет следующей:

• нормальные парафиновые углеводороды;
• парафиновые углеводороды изостроения;
• олефиновые углеводороды;
• нафтеновые углеводороды;
• ароматические углеводороды с боковыми ответвлениями;
• ароматические углеводороды без боковых ответвлений.

Существуют следующие закономерности для цетановых чисел углеводородов:

• чем выше молекулярная масса парафинового углеводорода, тем выше его цетановое число;
• чем более разветвлённую структуру имеет изопарафиновый углеводород, тем ниже его цетановое число;
• чем большее боковое ответвление имеет ароматический углеводород, тем выше его цетановое число.

Индивидуальные цетановые числа углеводородов:

1. Алканы (парафиновые углеводороды):
• нормальной структуры:
• н-Додекан - 72;
• н-Тридекан - 85;
• н-Тетрадекан - 90;
• н-Гексадекан (цетан) - 100;
• н-Гептадекан - 105;
• н-Октадекан - 110;
• Эйкозан - 122;
• Ункозан - 127;
• Докозан - 132;
• изоструктуры:
• 3-Этилдекан - 47;
• 4,5-Диэтилоктан - 20;
• 2,2,4,6,6-Пентаметилгептан - 9;
• 2,5-Диметилундекан - 58;
• 5-Бутилнонан - 53;
• 4-н-Пропилдекан - 39;
• 2,7-Диметил-4,5-диэтилоктан - 39;
• 7,8-Диметилтетрадекан - 40;
• 7-Бутилтридекан - 70;
• 7,8-Диэтилтетрадекан - 67;
• 5,6-Дибутилдекан - 29;
• 9-Метилгептадекан - 29;
• 9,10-Диметилоктадекан - 60;
• 7-Гексилпентадекан - 83;
• 2,9-Диметил-5,%-диизоамилдекан - 48;
2. Арены (ароматические углеводороды):
• моноциклические:
• н-Гексилбензол - 26;
• н-Гептилбензол - 35;
• н-Нонилбензол - 50;
• н-Додецилбензол - 58;
• Пропилоктилфенилметан - 42;
• Фенилдигексилметан - 40;
• Фенилдиизобутилгексилметан - 18;
• Фенилдиметилтридецилметан - 39;
• Фенилдиметилпентадецилметан - 39;
• Фенилдибутилнонилметан - 9;
• 1,2,4-Триметил-5-гексадецилбензол - 42;
• бициклические:
• α-метилнафталин - 0;
• н-Бутилнафталин - 6;
• трет-Бутилнафталин - 3;
• Диметил-н-бутилнафтилметан - 10,5;
• н-Октилнафталин - 18;
• Дипропилнафтилметан - 9;
• Изогексилметилэтилнафтилметан - 18;
• Диметил-н-октилнафтилметан - 18;
• Этилбутилизоамилнафтилметан - 12;
• Диэтил-н-гексилнафтилметан - 13;

Оптимальное цетановое число дизельного топлива

Оптимальное цетановым числом дизельного топлива находится в интервале 40 - 50 единиц:

• использование топлив с ЦЧ меньшим 40 делает работу двигателя жёсткой из-за увеличения времени задержки самовоспламенения;
• при ЦЧ > 50 - увеличивается удельный расход топлива вследствие неполного его сгорания и повышается дымность выхлопных газов.

Цетановое число летнего дизельного топлива должно быть равным или больше 40, но при увеличении ЦЧ будет расти расход топлива, что не эффективно.

Цетановое число дизельного топлива зимнего, чтобы обеспечить холодный пуск двигателя должно быть больше 45.

Повышение цетанового числа дизельного топлива

Повышение цетанового числа дизельных топлив может быть достигнуто двумя способами:

1. Одновременным повышением содержания нормальных парафинов и уменьшением содержания ароматических углеводородов, посредством:
   • добавления парафинистого компонента дизельной фракции, что возможно при переработке двух нефтей с отличающейся структурой;
   • деароматизацией дизельной фракции на катализаторе в присутствии водорода (процесс гидродеароматизации).
2. Введением цетаноповышающих присадок, что является наиболее распространённым способом.

Цетановое число дизельного топлива и присадки

Для повышения цетанового числа при невозможности увеличения доли парафиновых углеводородов используются цетаноповышающие кислородсодержащие присадки:

• органические перекиси;
• сложные эфиры азотной кислоты:
  • этилнитрат;
  • изопропилнитрат;
  • циклогексилнитрат;
  • 2-этилгексилнитрат.

Применямым в промышленности активным веществом цетаноповышающих присадок является 2-этилгексилнитрат, встречающийся во всех наиболее распространённых продуктах на рынке. Обусловлено это тем, что именно 2-этилгексилнитрат является единственным допущенным в России промоутером воспламенения.

Применение цетаноповышающей присадки позволяет:

• повысить полноту сгорания топлива;
• обеспечить эффективный режим эксплуатации двигателя;
• повысить полезную мощность дизельного двигателя;
• снизить потребление топлива;
• меньшить образование нагара на форсунках и в камере сгорания;
• снизить износ деталей поршней и цилиндров;
• уменьшить шум и вибрацию при работе двигателя;
• упростить холодный пуск в холодный период года;
• уменьшить токсичность продуктов сжигания топлива.