Цетановое число

Цетановое число — это количественная характеристика воспламеняемости дизельного топлива, определяющая его способность к самовоспламенению при сжатии в камере сгорания дизельного двигателя. Численно равно объёмной доле (в процентах) цетана (гексадекана, C₁₆H₃₄) в смеси с α-метилнафталином, которая по воспламеняемости эквивалентна испытуемому топливу при стандартных условиях. Чем выше цетановое число, тем легче топливо воспламеняется и тем быстрее происходит процесс сгорания.

История и происхождение понятия

Необходимость количественной оценки воспламеняемости дизельного топлива возникла с развитием дизельных двигателей в начале XX века. В 1920-х годах немецкий инженер Рудольф Дизель (изобретатель двигателя) и его последователи столкнулись с проблемой нестабильной работы моторов на разных сортах топлива. В 1930-х годах в США была разработана шкала, аналогичная октановому числу для бензинов, но для дизельных топлив. За эталон высокой воспламеняемости был принят цетан (н-гексадекан), который легко воспламеняется при сжатии, а за эталон низкой — α-метилнафталин, который, напротив, обладает высокой стойкостью к самовоспламенению. Шкала была введена в практику в 1940-х годах и с тех пор является стандартом в нефтепереработке и двигателестроении.

Физико-химическая основа

Цетановое число отражает период задержки воспламенения — время от момента впрыска топлива в цилиндр до начала его горения. Топлива с высоким цетановым числом имеют короткий период задержки, что обеспечивает плавное нарастание давления и мягкую работу двигателя. Топлива с низким цетановым числом воспламеняются с большей задержкой, что приводит к резкому нарастанию давления, детонации (характерному «стуку» дизеля) и повышенному износу деталей.

Химически цетановое число коррелирует с содержанием в топливе парафиновых углеводородов (особенно нормального строения), которые легко окисляются и самовоспламеняются. Ароматические и нафтеновые углеводороды, напротив, снижают цетановое число, так как их молекулы более стабильны и требуют более высокой температуры для воспламенения.

Шкала и методы измерения

Цетановое число измеряется в единицах от 0 до 100. Реальные значения для дизельных топлив находятся в диапазоне от 40 до 60. Для специальных видов топлива (например, для быстроходных двигателей или арктических сортов) могут применяться значения выше 55.

Существует два основных метода определения:

Моторный метод (ASTM D613 / ГОСТ 3122)

Испытание проводится на одноцилиндровом дизельном двигателе с переменной степенью сжатия. Топливо впрыскивается в цилиндр, и по углу опережения впрыска, при котором происходит воспламенение, определяется его цетановое число путём сравнения с эталонными смесями цетана и α-метилнафталина.

Цетановый индекс (ASTM D4737 / ГОСТ Р 52709)

Расчётный метод, основанный на плотности и фракционном составе топлива (температурах выкипания 10%, 50% и 90%). Цетановый индекс даёт приближённую оценку, но не заменяет прямого измерения на двигателе. Он широко используется для предварительного контроля качества при производстве и транспортировке.

Нормативные требования

В разных странах установлены минимальные значения цетанового числа для дизельного топлива, реализуемого через розничную сеть:

• Россия: по ГОСТ 32511-2013 (ЕН 590:2009) для дизельного топлива класса «Евро-5» и выше — не менее 51,0. Для арктических и зимних сортов допускается снижение до 48,0.
• Европейский союз: по стандарту EN 590 — не менее 51,0.
• США: по стандарту ASTM D975 — не менее 40,0 (для большинства видов), но обычно на рынке представлено топливо с цетановым числом 45–50.
• Китай: по национальному стандарту GB 19147 — не менее 49,0.

Влияние на работу двигателя

Высокое цетановое число (выше 55)

• Быстрое и плавное воспламенение.
• Мягкая работа двигателя, снижение шума и вибрации.
• Уменьшение выбросов несгоревших углеводородов (CH) и сажи.
• Возможность работы на бедных смесях.
• Недостаток: при чрезмерно высоком значении (более 65) может наблюдаться увеличение выбросов оксидов азота (NOx) из-за более высокой температуры в камере сгорания.

Низкое цетановое число (ниже 40)

• Затруднённый пуск холодного двигателя.
• Жёсткая работа, детонационные стуки.
• Повышенный расход топлива.
• Увеличение выбросов сажи и несгоревших углеводородов.
• Быстрый износ поршневой группы и форсунок.

Цетановое число и цетановый индекс: различие

Цетановое число — это экспериментально измеряемая величина. Цетановый индекс — расчётная оценка, основанная на физико-химических свойствах топлива (плотность, фракционный состав). Для современных топлив, содержащих присадки, цетановый индекс может отличаться от реального цетанового числа на 2–5 единиц. Поэтому в технических регламентах часто указывают оба показателя: цетановое число (измеренное) и цетановый индекс (расчётный) для контроля качества.

Присадки для повышения цетанового числа

Для улучшения воспламеняемости дизельного топлива применяются цетаноповышающие присадки. Наиболее распространённые:

• Алкилнитраты (например, 2-этилгексилнитрат) — разлагаются при сжатии, образуя активные радикалы, ускоряющие окисление топлива. Эффективны в дозах 0,1–0,3% от массы топлива.
• Пероксиды (например, ди-трет-бутилпероксид) — действуют аналогично, но менее стабильны при хранении.
• Сложные эфиры (например, изопропилнитрат) — используются реже из-за более высокой стоимости.

Присадки позволяют повысить цетановое число на 3–10 единиц, что особенно важно для топлив, полученных из вторичных процессов переработки (например, гидрокрекинга), где исходное цетановое число может быть низким.

Значение в контексте экологии и экономики

Цетановое число напрямую влияет на экологические характеристики дизельного двигателя. Топлива с высоким цетановым числом обеспечивают более полное сгорание, что снижает выбросы твёрдых частиц (сажи) и углеводородов. Однако при этом может возрастать образование оксидов азота, что требует оптимизации работы системы рециркуляции отработавших газов (EGR) и сажевых фильтров.

В экономическом плане производство топлива с высоким цетановым числом требует более глубокой переработки нефти (гидроочистка, гидрокрекинг), что увеличивает себестоимость. Поэтому на рынке представлены топлива с разным цетановым числом: от стандартного (45–51) до премиального (55–60), ориентированного на современные дизельные двигатели с турбонаддувом и системой Common Rail.

Интересные факты

• Цетан (н-гексадекан) был выбран в качестве эталона из-за его высокой воспламеняемости и стабильности при хранении. Его цетановое число принято за 100.
• α-метилнафталин, используемый как антиэталон, имеет цетановое число, условно принятое за 0. Однако в реальности он не является полностью невоспламеняемым — его собственное цетановое число около 10–15.
• В некоторых странах (например, в Швеции) для дизельного топлива класса «Эко» устанавливают цетановое число не ниже 55, что способствует снижению выбросов сажи в городах.
• Для биодизеля (метиловых эфиров жирных кислот) цетановое число обычно выше, чем у нефтяного дизеля — от 50 до 65, что делает его более воспламеняемым, но при этом он имеет более высокую вязкость и склонность к окислению.

Источники

• ГОСТ 32511-2013 (ЕН 590:2009). Топливо дизельное. Технические условия.
• ГОСТ 3122-67. Топлива дизельные. Метод определения цетанового числа.
• ASTM D613-18a. Standard Test Method for Cetane Number of Diesel Fuel Oil.
• ASTM D4737-10. Standard Test Method for Calculated Cetane Index by Four Variable Equation.
• Справочник нефтепереработчика / Под ред. Г. Г. Теляшева. — М.: Химия, 2010.
• Heywood J. B. Internal Combustion Engine Fundamentals. — McGraw-Hill, 1988.