О цетановом числе — начистоту

Дизельный двигатель на иномарке сегодня не новость. Отечественные заводы пытаются наладить производство дизелей для легковых автомобилей. Про автобусы и грузовики и говорить нечего: бензиновые «зилы» и «лиазы», дребезжа, уходят в прошлое. А тема дизельного топлива как была, так и остается неисчерпаемой…
«Декан пропил бензол…»
Поговорим, читатель, о цетановом числе дизтоплива — о его «родословной», значениях и методах определения. Для беседы понадобится малость: визит во ВНИИНП да несколько терминов из органической химии, похожих на шутку, вынесенную в подзаголовок. Для тех же, кто химию напрочь забыл, напомним, что декан и бензол — углеводородные соединения, а пропил — это не глагол, а образованный из пропана радикал C3H7.
Но шутки шутками, а нам важно знать, что одним из важнейших показателей дизельного топлива является его способность к самовоспламенению или воспламеняемость. Ее выражают цетановым числом.
Это число характеризует период задержки воспламенения — промежуток времени от впрыска топлива в цилиндр до начала его горения. Чем выше цетановое число, тем короче этот период, тем более спокойно и плавно горит дизельное топливо.
Цетановое число дизельного топлива зависит от его углеводородного состава. Так, парафины самовоспламеняются относительно легко, а вот ароматические углеводороды, наоборот, с большим трудом (см. таблицу 1).
Как видно из таблицы 1, цетановое число альфаметилнафталина принимается за ноль, а цетана (его «правильное» название гексадекан) — за 100. Что касается цетанового числа реального дизельного топлива, то оно будет лежать в указанных пределах.
Как его определяют?
Подобно октановому числу бензина, цетановое число дизельного топлива определяют на специальной установке с одноцилиндровым двигателем. Только, естественно, не с искровым зажиганием, а с воспламенением от сжатия.
Установка ИДТ-90 производства Савеловского машиностроительного завода, которую нам показали во ВНИИНП, имеет предкамерный дизель. Фактически это отечественный аналог американской машины ASTM-CFR производства «Вокеш Мотор Компани». В отличие от установок с непосредственным впрыском топлива фирмы BASF, такая конструкция позволяет более точно определять требуемые характеристики, в частности, уловить начало возникновения стуков. Кстати, в стандарте ИСО оговорены испытания дизельного топлива именно на предкамерном дизеле.
Принципиальная конструкция установки показана на фотографиях. Кроме собственно дизельного двигателя, она оснащена бачками для испытуемого (товарного) и эталонного топлив, датчиком воспламенения, механизмами изменения степени сжатия и угла впрыска.
Условия испытаний следующие: в бачок заливают испытуемое дизельное топливо и устанавливают угол впрыска 13 градусов с воспламенением в верхней мертвой точке. После чего разгоняют двигатель до 900 об/мин при расходе топлива 13 мл/мин, температуре всасываемого воздуха 65oС и температуре охлаждающей цилиндр жидкости 100oС.
Опуская излишние подробности, отметим лишь принцип испытаний: изменяя степень сжатия, оператор по приборам отслеживает поведение двигателя. После этого он подбирает эталонное топливо, дающее аналогичные результаты.
Как вы, наверное, уже догадались, эталонное топливо — это смесь цетана с альфаметилнафталином. Все очень просто: если оно содержит 45% цетана, значит, его цетановое число равно 45. И так далее.
В заключение раздела отметим, что определение цетанового числа стоит около 1000 руб. за один образец — компоненты эталонного топлива нынче недешевы. Для индивидуальных владельцев это, конечно, чересчур, но для фирмы с большим парком дизельных автомобилей такой анализ вполне доступен.
А нужен ли такой анализ?
Может возникнуть вопрос: а так ли важно цетановое число в повседневной жизни? Эксплуатационников больше волнуют температура загустевания солярки (выпадение парафинов) да губящие топливную аппаратуру вода и разнообразные загрязнения. Экологи «гоняют» автохозяйства за серу и ароматику… Стоп! Так ведь чем меньше в дизельном топливе ароматических углеводородов, тем цетановое число выше! Значит, с экологией этот показатель вполне согласуется.
Что касается эксплуатации, то здесь надо помнить следующее. От воспламеняемости топлива существенно зависит жесткость работы дизеля (см. график). А при жесткой работе возрастают нагрузки на подшипники и другие детали, что в конечном итоге приводит к их износу и разрушению. Поэтому способность дизельных топлив к воспламенению является таким же важным показателем для дизелей, как антидетонационные свойства бензинов для двигателей с искровым зажиганием.
Каким же должно быть цетановое число «по жизни»? Тезис «чем больше, тем лучше» тут, как ни странно, не проходит. Исследованиями установлено, что при цетановом числе около 60 происходит своеобразное «насыщение» показателей работы двигателя (см. график), и дальнейшее его увеличение бессмысленно.
Многие специалисты считают, что оптимальное цетановое число лежит в пределах от 50 до 60. ГОСТ 305 «Топлива дизельные» в этом вопросе более лоялен: не ниже 45 единиц.
И тут коммерсант, владелец парка дизельных грузовиков, может задать вопрос: «Я приобрел цистерну дизтоплива. Ваш анализ показал, что у него низкое цетановое число. Можно ли его повысить?»
Отвечаем: да, можно. Например, если добавить в топливо специальные присадки на основе изопропилнитрата. Оптимальной дозой считается введение в топливо 1% этого продукта (по массе). Ну а более подробную информацию можно получить во ВНИИНП.
О цетановом числе… бензина
Выше мы провели эксплуатационную аналогию между октановым числом бензина и цетановым числом дизельного топлива. Интересно, что между этими величинами существует обратная связь: чем больше октановое число углеводородного топлива, тем меньше его способность к самовоспламенению, и наоборот (см. таблицу 2).
Зачем нужно знать цетановые числа бензинов? Ответ прост: для эксплуатации многотопливных впрысковых двигателей, прежде всего — танковых. Так, экипажи боевых машин имеют запас специальных присадок, снижающих октановые и повышающих цетановые числа бензинов. И, если в месте дислокации нет солярки, могут двигаться на «девяносто восьмом». Надеемся, мы не раскрыли никаких военных секретов?
Еще раз о качестве дизтоплива
Но вернемся к мирной жизни. Качество дизтоплива зависит, конечно, не только от его цетанового числа. Как уже говорилось, много бед приносят содержащаяся в нем вода и другие примеси.
Но бороться за качество дизельного топлива можно и должно. Так, автохозяйства и фирмы могут приобрести установку «ДИТО» для… Впрочем, мы уже рассказывали о ней. Поэтому позволим себе процитировать собственную статью.
Московская фирма «ДИТО» разработала для очистки дизельного топлива специальную установку (модуль). Технология обработки топлива на модуле «ДИТО» обеспечивает практически полное удаление из топлива воды, механических примесей и большей части полициклических ароматических углеводородов. Установка содержит систему ввода различных присадок, позволяющих улучшить эксплуатационные свойства топлива, например, понизить температуру загустевания, повысить цетановое число, улучшить смазывающие свойства.
Модуль, способный обрабатывать 2-3 тонны топлива в час, представляет собой утепленный металлический блок-контейнер размером 4 х 2,5 х 2,7 м. Более 40 установок «ДИТО» уже несколько лет успешно работают в Москве, Воронеже, Кемерово, Ростове-на-Дону, Бешкеке, Алматы, Таллинне и других городах России и ближнего зарубежья.

Таблица 1. Цетановые числа некоторых углеводородов
Углеводороды Способность к самовоспламенению (цетановое число)
Парафиновые
Гептан 56,3
Октан 63,8
Декан 76,9
Додекан 87,6
Тетрадекан 96,1
Гексадекан (цетан) 100,0(!)
Октадекан 102,6
Ароматические
Гексаметилбензол 26,0
Альфаметилнафталин 0,0(!)
Таблица 2. Октановые и цетановые числа автомобильных бензинов (по данным ВНИИНП).
Марка бензина ОЧ/И (не менее) ОЧ/М (не менее) Цетановое число
А-76 не нормир. 76 35
АИ-80 80 76 35
АИ-92 92 85 22,5
АИ-95 95 85 15
АИ-98 98 87 11,5