Προσδιορισμός Αριθμού Κετανίου σε Ντήζελ

Transcript

1 ΕΘΝΙΚΟ ΜΕΤΣΟΒΙΟ ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ ΣΧΟΛΗ ΧΗΜΙΚΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ Τομέας Σύνθεσης & Ανάπτυξης Βιομηχανικών Διαδικασιών 7 o εξάμηνο σπουδών Τεχνολογία Καυσίμων και Λιπαντικών Εργαστηριακός οδηγός Προσδιορισμός Αριθμού Κετανίου σε Ντήζελ

2

3 Εμβολοφόρες ΜΕΚ Μηχανές Εσωτερικής Καύσης (ΜΕΚ) είναι οι θερμικές μηχανές εκείνες στις οποίες το εργαζόμενο μέσο για την παραγωγή μηχανικής ισχύος αποτελούν απευθείας τα προϊόντα της καύσης του αέρα με το καύσιμο. Ενδεικτικά, στις ΜΕΚ ανήκουν οι εμβολοφόροι κινητήρες, οι αεριοστρόβιλοι και οι πυραυλοκινητήρες. Σε όλες τις ΜΕΚ, το εργαζόμενο μέσο (αέρας ή αέρας και καύσιμο) αναρροφάται από τη μηχανή και συμπιέζεται πρώτα μέχρι μια ορισμένη πίεση, οπότε αυξάνεται και η θερμοκρασία του, στη συνέχεια προσδίδεται σε αυτό η θερμική ενέργεια η οποία προέρχεται από την καύση του καυσίμου, με αποτέλεσμα την αύξηση της θερμοκρασίας του, της πίεσης του ή και του όγκου του. Κατά την εκτόνωση που ακολουθεί παρέχεται, κατά κύριο λόγο, το κινητήριο έργο, ένα τμήμα του οποίου καταναλώνεται για τις ανάγκες της συμπίεσης που προηγήθηκε, (αλλά και σε μηχανικές απώλειες) ενώ το υπόλοιπο αποτελεί το ωφέλιμο έργο της μηχανής. Οι εμβολοφόρες ΜΕΚ, είναι εκείνες στις οποίες οι παραπάνω βασικές φάσεις λειτουργίας (Συμπίεση, Καύση, Εκτόνωση), πραγματοποιούνται μέσα στον ίδιο χώρο, που ονομάζεται κύλινδρος. Σημειώνεται ότι σημαντικό ρόλο στη λειτουργία της μηχανής παίζει και η φάση της εναλλαγής των αερίων (εξαγωγή-εισαγωγή) κατά την οποία απομακρύνονται τα καυσαέρια από τον κύλινδρο μετά την εκτόνωση και εισάγεται η νέα γόμωση (αέρας ή αέρας και καύσιμο) πριν την συμπίεση του επόμενου κύκλου (Σχήμα 1). Οι εμβολοφόρες ΜΕΚ είναι η πιο κοινή μορφή κινητήριας μηχανής. Λόγω της απλής κατασκευής και της δυνατότητάς της να χρησιμοποιεί εργαζόμενο μέσο που μπορεί να φτάνει σε πολύ υψηλές θερμοκρασίες (η μη αποδεκτή θερμική καταπόνηση αποφεύγεται επειδή κατά ελάχιστο ποσοστό της διάρκειας ενός κύκλου λειτουργίας το εργαζόμενο μέσο βρίσκεται σε επικίνδυνα υψηλή θερμοκρασία), συνδυάζει καλό βαθμό απόδοσης και υψηλή συγκέντρωση ισχύος. Στα παραπάνω βασικά πλεονεκτήματα, οφείλεται η σχεδόν αποκλειστική χρήση των εμβολοφόρων ΜΕΚ στον τομέα των μεταφορών (αυτοκίνητα, πλοία, τρένα και κάποια αεροσκάφη). Σχήμα 1: Λειτουργία τετράχρονου κινητήρα Diesel.

4 Δίχρονες και Τετράχρονες ΜΕΚ Στο Σχήμα 2 φαίνεται ο βασικός μηχανισμός κίνησης μιας εμβολοφόρου ΜΕΚ, ο οποίος αποτελείται από το έμβολο, το διωστήρα και το στρόφαλο. Στο σχήμα φαίνεται επίσης και ο χώρος του κυλίνδρου. Κατά τη λειτουργία του κινητήρα, το έμβολο παλινδρομεί καθώς λαμβάνουν χώρα διαδοχικά οι φάσεις λειτουργίας (Συμπίεση, Καύση και Εκτόνωση, Εξαγωγή καυσαερίων, Εισαγωγή νέας γόμωσης). Στις τετράχρονες μηχανές (4-Χ), οι παραπάνω φάσεις πραγματοποιούνται με τέσσερις κινήσεις του εμβόλου. Στις δίχρονες μηχανές (2-Χ) το έμβολο πραγματοποιεί έναν κύκλο λειτουργίας εκτελώντας μόνο δύο κινήσεις. Σήμερα οι 2-Χ κινητήρες χρησιμοποιούνται σε κάποιες εφαρμογές που απαιτούν μεγάλο λόγο ισχύος/βάρος (πχ μικρές μοτοσυκλέτες), είναι όμως ευρέως διαδεδομένες σε εφαρμογές όπου απαιτείται πολύ μεγάλη παραγόμενη ισχύς και πολύ καλός θερμικός βαθμός απόδοσης (κινητήρες πλοίων, Σχήμα 2: Βασικός μηχανισμός κίνησης φορτηγά, μονάδες παραγωγής ηλεκτρικής εμβολοφόρου ΜΕΚ. ενέργειας). Στις εφαρμογές ενδιάμεσου μεγέθους κυριαρχούν σχεδόν αποκλειστικά οι 4-Χ κινητήρες (επιβατηγά αυτοκίνητα, μοτοσυκλέτες). Κινητήρες Otto και κινητήρες Diesel Οι εμβολοφόρες ΜΕΚ μπορούν να διακριθούν και ανάλογα με τον τρόπο αναφλέξεως που επιδρά στον τρόπο καύσης του καυσίμου (που μπορεί να είναι είτε υγρό είτε αέριο). Έτσι λοιπόν διακρίνονται οι κινητήρες Otto (από τον εφευρέτη τους, Nicolaus August Otto) και οι κινητήρες Diesel (από τον εφευρέτη τους, Rudolf Diesel). Στους κινητήρες Otto (ή κινητήρες ανάφλεξης με σπινθήρα) υπάρχει πάντοτε ανάφλεξη με τη βοήθεια κάποιου εξωτερικού μέσου, του σπινθηριστή (μπουζί). Στους κινητήρες Diesel (ή κινητήρες ανάφλεξης συμπίεσης) υπάρχει πάντοτε αυτανάφλεξη, λόγω της κατάλληλης εισαγωγής του καυσίμου στον κύλινδρο τη στιγμή κατά την οποία το περιεχόμενό του (αέρας) έχει θερμανθεί σε επαρκώς υψηλή θερμοκρασία, κατά τη φάση συμπίεσης. Οι κινητήρες Otto χρησιμοποιούν υγρά καύσιμα υψηλής πτητικότητας όπως βενζίνη και αλκοόλες είτε αέρια καύσιμα όπως υγραέριο και φυσικό αέριο. Στην περίπτωση χρησιμοποίησης υγρών καυσίμων, είναι απαραίτητη η προετοιμασία του καυσίμου με στόχο την ομοιόμορφη ανάμιξή του με τον ατμοσφαιρικό αέρα, κάτι που επιτυγχάνεται είτε με τον εξαεριωτή (καρμπιρατέρ) είτε πλέον με ψεκασμό του καυσίμου στον κύλινδρο υπό υψηλή πίεση.

5 Οι κινητήρες Diesel, αναρροφούν πάντα σκέτο ατμοσφαιρικό αέρα και αφού τον συμπιέσουν, εισάγουν στον κύλινδρο υπό υψηλότατη πίεση το καύσιμο, το οποίο είναι βαρύτερο της βενζίνης, (κατά κανόνα καύσιμα λιγότερο πτητικά και φτηνότερα) όπως ελαφρύ gasoil, βαρύ gasoil, μέχρι και μαζούτ, οπότε και πραγματοποιείται αυτανάφλεξη. Σήμερα, οι βενζινοκινητήρες χρησιμοποιούνται σχεδόν αποκλειστικά σε εφαρμογές όπως επιβατηγά αυτοκίνητα και μοτοσυκλέτες, ενώ οι κινητήρες ντίζελ κυριαρχούν σε μεγαλύτερες εφαρμογές όπως πλοία, τρένα, φορτηγά. Τα τελευταία χρόνια, η σταδιακή βελτίωση του κινητήρα Diesel όσον αφορά στις εκπομπές αιθάλης και στον παραγόμενο θόρυβο, σε συνδυασμό με τα πλεονεκτήματά του όπως η ικανότητα χρήσης οικονομικότερου καυσίμου και ο καλύτερος βαθμός απόδοσης σε σχέση με τον βενζινοκινητήρα, οδήγησαν σε ολοένα και αυξανόμενη χρήση του και στον τομέα των επιβατηγών αυτοκινήτων. Καύση και κτύπημα στον κινητήρα Otto Όπως προκύπτει από τα παραπάνω, βασικό ρόλο στη λειτουργία του βενζινοκινητήρα παίζουν η εξασφάλιση της καταλληλότερης αναλογίας αέρα-καυσίμου για τις συγκεκριμένες συνθήκες λειτουργίας, η ομοιομορφία του μίγματος και η επιτυχής ανάφλεξή του με τον σπινθηριστή την κατάλληλη στιγμή. Στόχος είναι να επιτευχθεί ομαλή καύση ώστε να εξασφαλιστούν χαμηλά επίπεδα εκπομπής τοξικών καυσαερίων και να αποφευχθούν φαινόμενα όπως το κτύπημα που προκαλούν μειωμένη απόδοση και σημαντική ή και καταστροφική φθορά στον κινητήρα. Το κτύπημα (κρουστική καύση ή knocking) είναι μια από τις βασικότερες μορφές ανώμαλης καύσης. Κατά την ομαλή καύση, το μέτωπο της φλόγας ξεκινάει από τον σπινθηριστή και προχωράει προς τα τοιχώματα μέχρι να καεί όλο το μείγμα. Έτσι, καθώς το μέτωπο προχωράει, η πίεση και η θερμοκρασία του άκαυστου ακόμα μείγματος αυξάνεται τοπικά λόγω της θέρμανσης από τη φλόγα και της διόγκωσης των στοιχείων του μείγματος που μόλις έχουν αναφλεγεί. Με αυτό τον τρόπο είναι δυνατόν να επιταχυνθούν πέρα από το αποδεκτό οι προφλογικές αντιδράσεις οι οποίες αφενός παρέχουν επιπλέον θερμική ενέργεια και αφετέρου δίνουν ασταθέστερες ενώσεις οι οποίες ουσιαστικά ρίχνουν την κρίσιμη θερμοκρασία αυτανάφλεξης του μείγματος. Είναι δυνατόν λοιπόν κάποια στοιχεία του άκαυστου ακόμα μείγματος να αυταναφλεγούν πριν ακόμα φτάσει σε αυτά το μέτωπο της φλόγας, προκαλώντας με τη σειρά τους αυτανάφλεξη και σε γειτονικά σημεία. Τελικά το άκαυστο μέχρι εκείνη τη στιγμή μείγμα, καίγεται ακαριαία προκαλώντας απότομη αύξηση της πίεσης και βίαια κρουστικά κύματα. Το φαινόμενο του χτυπήματος προκαλεί σοβαρές φθορές σε μηχανικά μέρη όπως οι βαλβίδες και τα έμβολα, αλλά και πτώση του βαθμού απόδοσης. Είναι προφανές ότι κανένας κινητήρας Otto δεν μπορεί να αντέξει σε μακρά λειτουργία με κρουστική καύση, γι αυτό το λόγο παίρνονται μέτρα για την αποφυγή του. Τρόποι αποφυγής του φαινομένου είναι η καθυστέρηση ανάφλεξης, η χρήση πλουσιότερου σε καύσιμο μείγματος αλλά και η χρήση πρόσθετων στο καύσιμο ώστε να επιτευχθεί μεγαλύτερη σταθερότητα του μείγματος.

6 Καύση και κτύπημα στον κινητήρα Diesel Στον κινητήρα Diesel επικρατούν πολύ δυσμενέστερες συνθήκες καύσης από αυτές του κινητήρα Otto, διότι ο διατιθέμενος χρόνος για τον σχηματισμό του μείγματος είναι ελάχιστος, ενώ η έναρξη της καύσης πραγματοποιείται με αυτανάφλεξη. Βασικό μέλημα στον κινητήρα Diesel είναι να επιτευχθεί τέλεια καύση, για να περιοριστεί η εκπομπή μονοξειδίου του άνθρακα, άκαυστων υδρογονανθράκων και αιθάλης. Για το λόγο αυτό, υπάρχει πάντα ικανή περίσσεια αέρα. Η καύση στον κινητήρα Diesel είναι κατά κανόνα πιο περίπλοκη από τον κινητήρα Otto και ο σχηματισμός του μείγματος, η ανάφλεξη και η περεταίρω καύση δεν αποτελούν σαφώς ξεχωριστές λειτουργίες, αλλά είναι αλληλένδετες και χρονικά επικαλυπτόμενες. Αρχικά υπάρχει το στάδιο της καθυστέρησης ανάφλεξης κατά το οποίο λαμβάνει χώρα η φυσική και χημική προετοιμασία του μείγματος. Κατά τη φυσική προετοιμασία πραγματοποιείται μερική εξάτμιση των σταγονιδίων του καυσίμου λόγω της υψηλής θερμοκρασίας του περιβάλλοντα συμπιεσμένου αέρα, όπως επίσης και μερική του ανάμειξη με αυτόν. Κατά τη χημική προετοιμασία πραγματοποιείται διάσπαση των βαρύτερων και αδρανέστερων υδρογονανθράκων σε ελαφρύτερους και δραστικότερους στους οποίους εντοπίζονται και οι πρώτες εστίες αναφλέξεως. Το δεύτερο στάδιο είναι αυτό της ανεξέλεγκτης καύσης κατά το οποίο αρχίζει και η ανάφλεξη. Η ανάφλεξη στον κινητήρα Diesel δεν εμφανίζεται σε ένα σημείο όπως στον κινητήρα Otto όπου υπάρχει σπινθηριστής, αλλά στα σημεία εκείνα που έχουν δημιουργηθεί οι ευνοϊκότερες συνθήκες κατά το στάδιο καθυστέρησης ανάφλεξης οπότε και η καύση είναι τύπου προανάμειξης. Το τελικό στάδιο είναι εκείνο της ελεγχόμενης πλέον καύσης τύπου διάχυσης, κατά το οποίο το καύσιμο βρίσκει ιδανικές συνθήκες στο θάλαμο οπότε και καίγεται με σταθερό τρόπο, ο οποίος μπορεί να ελεγχθεί με το ρυθμό έγχυσης του καυσίμου. Η καύση του τρίτου σταδίου συνεχίζεται μέχρι και το τέλος της διαδικασίας εκτόνωσης. Κρουστικά φαινόμενα στον κινητήρα Diesel είναι δυνατόν να προκληθούν από μεγάλη καθυστέρηση ανάφλεξης του καυσίμου. Αυτό συμβαίνει διότι όσο επιμηκύνεται το πρώτο στάδιο της φυσικής και χημικής προετοιμασίας, επιπλέον καύσιμο συνεχίζει να εγχέεται στον κύλινδρο με αποτέλεσμα όταν τελικά ξεκινήσει το στάδιο της ανεξέλεγκτης προαναμειγμένης καύσης να καεί ξαφνικά μεγαλύτερη ποσότητα οδηγώντας σε πιο απότομη αύξηση της πίεσης. Είναι προφανές ότι τέτοια φαινόμενα πρέπει να αποφεύγονται και στους κινητήρες Diesel για τον περιορισμό της καταπόνησης των μηχανικών μερών και την εξασφάλιση ομαλής λειτουργίας, αν και εδώ μπορεί η λειτουργία με αυτές τις δυσμενείς συνθήκες να αποδεικνύεται ευνοϊκή για τον βαθμό απόδοσης. Είναι αξιοσημείωτο πως για αποφυγή κρουστικών φαινομένων στους κινητήρες Diesel απαιτείται ταχεία αυτανάφλεξη, ενώ στους κινητήρες Otto το αντίθετο. Στο Σχήμα 3 φαίνεται η μεγαλύτερη καθυστέρηση ανάφλεξης και η υψηλότερη τελική πίεση για καύση με κτύπημα σε σχέση με την ομαλή καύση σε έναν κινητήρα Diesel. Ένας ακόμα λόγος που είναι επιθυμητή η ταχεία αυτανάφλεξη στους κινητήρες Diesel (ειδικά στα μεταφορικά μέσα) είναι η ευκολία ψυχρής εκκίνησης ιδιαίτερα κάτω από

7 δύσκολες συνθήκες (χαμηλή θερμοκρασία περιβάλλοντος). Ομαλή Καύση Καύση με Κτύπημα Ψεκασμός Καυσίμου ΑΝΣ Σχήμα 3: Μεταβολή της πίεσης σε ντιζελοκινητήρα για ομαλή καύση και καύση με κτύπημα. Αριθμός οκτανίου Από την αρχή της παρατήρησης του φαινομένου κρουστικής καύσης στους κινητήρες Otto, αναζητήθηκε ένα κριτήριο που να εκφράζει την αντοχή ενός καυσίμου. Έτσι λοιπόν προτάθηκε το 1926 στις Η.Π.Α. από τον G. Edgar ο Αριθμός Οκτανίου (Octane Number ή ON). Αυτός εκφράζει την σε Ισοοκτάνιο (2,2,4 τριμεθυλοπεντάνιο) κατ' όγκο περιεκτικότητα επί τοις % ενός πρότυπου μείγματος από Κανονικό Επτάνιο (πολύ ευαίσθητο σε ανάφλεξη) και Ισοοκτάνιο (απαθές συστατικό), το οποίο είναι ισοδύναμο ως προς την αντοχή σε κρουστική καύση με το εξεταζόμενο καύσιμο. Σήμερα, κατά την εμπειρική αυτή διαδικασία εφαρμόζονται διεθνώς οι βασικοί κανονισμοί της CFR (Coοperative Fuel Research Committee της SAE δηλαδή Society of Automotive Engineers στις Η.Π.Α.), οι οποίοι καθορίζουν επακριβώς τον τρόπο δοκιμής σε συγκεκριμένο κινητήρα με συγκεκριμένες και ελεγχόμενες συνθήκες λειτουργίας. Οι δοκιμές γίνονται με δυο τρόπους, ο πρώτος υπό ευνοϊκότερες συνθήκες λειτουργίας του εργαστηριακού κινητήρα ο οποίος δίνει τον λεγόμενο ερευνητικό αριθμό οκτανίου RON (Research Octane Number) και ο δεύτερος υπό δυσμενέστερες συνθήκες ο οποίος δίνει τον λεγόμενο αριθμό οκτανίου κινητήρα MON (Motor Octane Number). Ο RON ο οποίος είναι και μεγαλύτερος του MON χρησιμοποιείται πολύ περισσότερο σήμερα κυρίως στην Ευρώπη, ενώ χρησιμοποιούνται και τα μεγέθη Δείκτης Αντικροτικότητας (Antiknock Index, ορίζεται ως ο αριθμητικός μέσος των RON και MON και χρησιμοποιείται ευρέως στις Η.Π.Α.) και η Ευαισθησία (Sensitivity, ορίζεται ως η διαφορά RON-MON και εκφράζει την ευαισθησία του καυσίμου στην μεταβολή των συνθηκών λειτουργίας). Ενδεικτικά ο αριθμός RON μιας τυπικής βενζίνης για επιβατηγά είναι γύρω στο 95, ενώ αξίζει να σημειωθεί πως το τυπικό Diesel κίνησης έχει RON

8 Πρόσθετα χρησιμοποιούνται για την επίτευξη υψηλού αριθμού RON των βενζινών. Κλασσικό παράδειγμα του παρελθόντος αποτελεί η χρήση τετρααιθυλιούχου μολύβδου (TEL, Pb(C 2 H 5 ) 4. Η χρήση του εγκαταλείφθηκε στις μέρες μας λόγω της ρύπανσης που προκαλεί αλλά και της δηλητηρίασης των καταλυτικών μετατροπέων που χρησιμοποιούνται καθολικά πλέον για τον έλεγχο των ρύπων (CO, HC, NO x ). Η βελτίωση της αντικροτικότητας μπορεί να λαμβάνει χώρα στο διυλιστήριο ή/και με τη χρήση άλλων συστατικών υψηλού αριθμού οκτανίου (αρωματικά και ισοπαραφίνες) ή οξυγονούχες ενώσεις (MTBE, ETBE, TAME) που έχουν πολύ υψηλή κρουστική αντοχή. Αριθμός κετανίου Κατ' αντιστοιχία, για τους πετρελαιοκινητήρες αναζητήθηκε ένα κριτήριο που να εκφράζει την ποιότητα ανάφλεξης των καυσίμων Diesel. Καλή ποιότητα ανάφλεξης στον κινητήρα Diesel, σημαίνει ελαχιστοποίηση της καθυστέρησης ανάφλεξης, δηλαδή η φυσική και χημική προετοιμασία του μείγματος να γίνει το δυνατόν γρηγορότερα, όπως αναφέρθηκε και παραπάνω. Έτσι λοιπόν καθιερώθηκε ο Αριθμός Κετανίου (Cetane Number ή CN) για την αξιολόγηση ενός καυσίμου ως προς την ποιότητα ανάφλεξης. Ο Αριθμός Κετανίου εκφράζει την σε Κετάνιο (Κανονικό Δεκαεξάνιο, C 16 H 34, το οποίο είναι πολύ ευπαθές συστατικό με άριστη ποιότητα ανάφλεξης) κατ' όγκο αναλογία επί τοις % ενός πρότυπου μείγματος από Κετάνιο και επτα-μεθυλο-εννεάνιο (που παρουσίαζε μεγάλη δυσκολία ανάφλεξης στον πρότυπο κινητήρα), το οποίο είναι ισοδύναμο ως προς την ποιότητα ανάφλεξης με το εξεταζόμενο καύσιμο. Επειδή το επτα-μεθυλο-εννεάνιο έχει CN ίσο με 15, ο ακριβής υπολογισμός για το ισοδύναμο μείγμα δίνεται από τη Σχέση (1): CN = (% κ-δεκαεξάνιο) (% επτα-μεθυλο-εννεάνιο) (1) Η διαδικασία γίνεται όπως και με τον αριθμό RON, σε συγκεκριμένο εργαστηριακό κινητήρα με συγκεκριμένες συνθήκες λειτουργίας. Ο πειραματικός αυτός τρόπος υπολογισμού του Αριθμού Κετανίου σήμερα έχει παραγκωνιστεί λόγω του αυξημένου κόστους και της πολυπλοκότητας. Καινούριες μέθοδοι, με συσκευές μέτρησης της ποιότητας ανάφλεξης όπως μετρητής ποιότητας ανάφλεξης (Ignition Quality Tester, IQT) ή πειραματική διάταξη του Εργαστηρίου (Fuel Ignition Tester, FIT) που περιγράφεται παρακάτω, δίνουν ικανοποιητικά αποτελέσματα αξιολόγησης της ποιότητας ανάφλεξης (Derived Cetane Number, DCN) σε μικρό χρονικό διάστημα. Πολλές φορές όπου δεν απαιτείται μεγάλη ακρίβεια, χρησιμοποιείται και ο Υπολογιστικός Δείκτης Κετανίου (Calculated Cetane Index, CCI) ο οποίος προκύπτει με εμπειρικό τύπο από τον προσδιορισμό της πυκνότητας και χαρακτηριστικά της καμπύλης απόσταξης του καυσίμου, ή ο Δείκτης Diesel (Diesel Index, DI) υπολογιζόμενος και αυτός εμπειρικά με χρήση της πυκνότητας και του σημείου ανιλίνης. Ο προσδιορισμός του Δείκτη Diesel έχει πλέον καταργηθεί λόγω της τοξικότητας της ανιλίνης. Και για τη βελτίωση του CN χρησιμοποιούνται βελτιωτικά πρόσθετα και χημικές διεργασίες, καθώς έχει παρατηρηθεί πως καύσιμα με πολύ καλή ποιότητα ανάφλεξης οδηγούν σε ομαλότερη λειτουργία του κινητήρα και χαμηλότερες εκπομπές. Σαν πρόσθετα, χρησιμοποιούνται ενώσεις που αποσυντίθενται γρήγορα και βοηθούν στην έναρξη των

9 αλυσιδωτών αντιδράσεων της καύσης. Συνήθως είναι νιτροεστέρες, οι οποίοι λειτουργούν σαν Επιταχυντές Ανάφλεξης (Ignition Accelerators ή Dopes ). Βέβαια, σημαντική βελτίωση του CN μπορεί να επιτευχθεί με κατάλληλες χημικές μεθόδους στο διυλιστήριο. Ένα Diesel πλούσιο σε παραφινικούς υδρογονάνθρακες χαρακτηρίζεται από καλύτερη ποιότητα ανάφλεξης. Η κατάταξη των τύπων υδρογονανθράκων (Σχήμα 4) σε αύξουσα σειρά ανάλογα με την ποιότητα ανάφλεξης είναι η εξής: αρωματικοί<ναφθενικοί<ισοπαραφινικοί<παραφινικοί Επίσης αύξηση του αριθμού των ατόμων του άνθρακα του μορίου αυξάνει την τάση του για ανάφλεξη. Σήμερα το τυπικό Diesel κίνησης έχει CN περίπου Σχήμα 4: Αριθμός Κετανίου για διάφορες κατηγορίες υδρογονανθράκων. Πειραματική διάταξη εργαστηρίου (EN 16144, ASTM D7170, με χρήση της συσκευής FIT) Στο Εργαστήριο Τεχνολογίας Καυσίμων και Λιπαντικών, υπάρχει πειραματική διάταξη προσδιορισμού του DCN (Derived Cetane Number) με χρήση της συσκευής FIT (Fuel Ignition Tester). Βασικό στοιχείο της διάταξης (Σχήμα 5) είναι ο θάλαμος συγκεκριμένου όγκου, ο οποίος πληρώνεται με τυποποιημένο ατμοσφαιρικό αέρα (συνθετικό αέρα Air Zero) σε υψηλή πίεση και θερμοκρασία, που προσομοιάζουν το εσωτερικό ενός κυλίνδρου μηχανής Diesel κατά τη φάση της συμπίεσης, λίγο πριν την έναρξη της έγχυσης καυσίμου.

10 Σχήμα 5: Σχηματική αναπαράσταση, όπου φαίνονται τα βασικά στοιχεία της συσκευής FIT. Το εξεταζόμενο καύσιμο τοποθετείται σε ειδικό δοχείο της συσκευής και την κατάλληλη στιγμή που η θερμοκρασία και πίεση του θαλάμου όπως και η θερμοκρασία του καυσίμου και του συστήματος ψύξης βρίσκονται σε ορισμένα από τη μέθοδο όρια, πραγματοποιείται έγχυση, η διάρκεια της οποίας βρίσκεται και αυτή εντός καθορισμένων ορίων. Το καύσιμο αναφλέγεται μέσα στον θάλαμο καύσης σταθερού όγκου και ένας αισθητήρας πίεσης υψηλού ρυθμού δειγματοληψίας μας δίνει το διάγραμμα πίεσης-χρόνου μέσα στο θάλαμο (Σχήμα 6).

11 Σχήμα 6: Διάγραμμα πίεσης-χρόνου που προκύπτει μετά την έγχυση καυσίμου στον θάλαμο καύσης του FIT. Από το διάγραμμα προκύπτει εύκολα η χρονική στιγμή κατά την οποία ξεκινάει η καύση, καθώς με το που ξεκινήσει το καύσιμο να αναφλέγεται, η πίεση αυξάνει απότομα. Η χρονική διάρκεια από την έναρξη της έγχυσης μέχρι την έναρξη της καύσης, αποτελεί και την Καθυστέρηση Ανάφλεξης (Ignition Delay, ID σε ms) από την οποία μπορούμε να υπολογίσουμε το DCN σύμφωνα με τη Σχέση (2): DCN = 171 ID (ms ) (2) Για ομαλοποίηση των αποτελεσμάτων, σαν Καθυστέρηση Ανάφλεξης στην παραπάνω σχέση, χρησιμοποιείται η μέση τιμή των ID από 25 μετρήσεις με το ίδιο καύσιμο. Ενδιαφέρον παρουσιάζει η σύγκριση των αποτελεσμάτων της μεθόδου με εκείνα που μπορούν να επιτευχθούν με εμπειρικές μεθόδους όπως ο υπολογισμός του Δείκτη Κετανίου με χρήση της πυκνότητας του καυσίμου και της θερμοκρασίας ανάκτησης του 10%, 50%, 90% του καυσίμου. Στο Σχήμα 7 συνοψίζεται η επίδραση των διαφόρων διεργασιών του διυλιστηρίου στην πυκνότητα και τον αριθμό κετανίου καυσίμων Diesel.

12 Σχήμα 7: Επίδραση των διεργασιών του διυλιστηρίου στην πυκνότητα και την ποιότητα ανάφλεξης των καυσίμων ντίζελ. Εφαρμογή: Χρησιμοποιώντας τα πειραματικά αποτελέσματα που σας δόθηκαν για την πυκνότητα και τον DCN, να διαπιστώσετε εάν υπάρχει συσχέτιση μεταξύ των δύο μεγεθών. Επίσης να συγκρίνετε τα αποτελέσματα της μεθόδου για τον προσδιορισμό του DCN με χρήση του οργάνου FIT του εργαστηρίου, σε σχέση με εκείνα που προέρχονται από χρήση εμπειρικών μεθόδων (Calculated Cetane Index, CCI). Η μέθοδος αυτή (ASTM D-4737), εφαρμόζει την Σχέση (3) η οποία χρησιμοποιεί τρία σημεία της καμπύλης απόσταξης και την πυκνότητα του καυσίμου. CCI = (T ) (T ) (T ) B (T ) B (T ) (T ) (T ) B+60.0 B 2 (3) όπου B=exp [ 3.5 ( D 0.85 ) ] 1 D = πυκνότητα (g/ml, 15 C) T i = θερμοκρασία ανάκτησης ( C) (i=10%, 50%, 90%) Η ίδια σχέση χρησιμοποιείται και σύμφωνα με το ευρωπαϊκό πρότυπο EN 590, κι έχει προτυποποιηθεί σύμφωνα με τη μέθοδο EN ISO 4264.