เลขซีเทน
เลขซีเทน (อังกฤษ: cetane number; ย่อ: CN) หรือ ค่าประเมินซีเทน (cetane rating) เป็นตัวบ่งชี้ความเร็วในการเผาไหม้ของน้ำมันดีเซลและแรงอัดที่จำเป็นสำหรับการจุดระเบิด มีบทบาทคล้ายกับที่ค่าประเมินออกเทนมีต่อน้ำมันเบนซิน CN เป็นปัจจัยสำคัญในการกำหนดคุณภาพของน้ำมันดีเซล แต่ไม่ใช่ปัจจัยเดียวเท่านั้น การวัดคุณภาพของน้ำมันดีเซลอื่น ๆ รวมถึง (แต่ไม่จำกัดเพียง) ปริมาณพลังงาน ความหนาแน่น การหล่อลื่น คุณสมบัติการไหลในอุณหภูมิเย็นและปริมาณกำมะถัน[1]
นิยาม
[แก้]เลขซีเทนของเชื้อเพลิงถูกกำหนดโดยการหาเชื้อเพลิงผสมของซีเทนและไอโซซีเทนที่มีเวลาหน่วงการจุดระเบิดเท่ากัน ซีเทนถูกกำหนดให้มีเลขซีเทนเท่ากับ 100 ในขณะที่ไอโซซีเทนมีเลขซีเทนที่วัดได้เท่ากับ 15 ซึ่งมาแทนที่เชื้อเพลิงอ้างอิงเดิม แอลฟา-เมทิลแนฟทาลีน ที่เคยถูกกำหนดให้มีเลขซีเทนเท่ากับ 0 เมื่อทราบส่วนผสมแล้ว เลขซีเทนจะถูกคำนวณเป็นค่าเฉลี่ยถ่วงน้ำหนักตามปริมาตรของซีเทนที่ 100 และไอโซซีเทนที่ 15 โดยจะปัดเศษให้เป็นจำนวนเต็มที่ใกล้ที่สุด[2]
- เลขซีเทน = % เอ็น-ซีเทน + 0.15(% ไอโซซีเทน)[2]
เลขซีเทนเป็นฟังก์ชันผกผันของระยะเวลาหน่วงการจุดระเบิดของเชื้อเพลิง ซึ่งคือช่วงเวลาตั้งต้นของการจุดระเบิดจนถึงการเพิ่มขึ้นของความดันที่สามารถระบุได้ครั้งแรกในระหว่างการเผาไหม้ของเชื้อเพลิง ในเครื่องยนต์ดีเซลเฉพาะ เชื้อเพลิงที่มีซีเทนสูงกว่าจะมีเวลาหน่วงการจุดระเบิดสั้นกว่าเชื้อเพลิงที่มีซีเทนต่ำกว่า เลขซีเทนใช้ได้เฉพาะกับน้ำมันดีเซลกลั่นเบา สำหรับน้ำมันเตาหนัก (ชนิดที่เหลือตกค้าง) จะใช้มาตรวัดอื่นอีกสองมาตรวัด คือซีซีเอไอ (CCAI) และซีไอไอ (CII)
ค่าทั่วไป
[แก้]โดยทั่วไป เครื่องยนต์ดีเซลจะทำงานได้ดีที่เลขซีเทนอยู่ในช่วง 48 ถึง 50 เชื้อเพลิงที่มีเลขซีเทนต่ำกว่าจะมีเวลาหน่วงการจุดระเบิดยาวนานขึ้น ซึ่งต้องการเวลามากขึ้นสำหรับกระบวนการเผาไหม้เชื้อเพลิงให้สมบูรณ์ ดังนั้น เครื่องยนต์ดีเซลรอบสูงจึงทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้นด้วยเชื้อเพลิงที่มีเลขซีเทนสูง
ในทวีปยุโรป เลขซีเทนดีเซลถูกกำหนดขั้นต่ำไว้ที่ 38 ใน ค.ศ. 1994 และ 40 ใน ค.ศ. 2000 มาตรฐานสำหรับดีเซลที่จำหน่ายในสหภาพยุโรป ไอซ์แลนด์ นอร์เวย์ และสวิตเซอร์แลนด์ถูกกำหนดโดยมาตรฐาน EN 590 ตั้งแต่วันที่ 1 มกราคม ค.ศ. 2001 เป็นต้นมา EN 590 กำหนดให้มีดัชนีซีเทนขั้นต่ำที่ 46 และเลขซีเทนขั้นต่ำที่ 51 น้ำมันดีเซลพรีเมียมสามารถมีเลขซีเทนสูงถึง 60 ได้[3]
ในประเทศฟินแลนด์ น้ำมันดีเซลพรีเมียมที่จำหน่ายโดยเครือสถานีบริการน้ำมัน St1 (Diesel Plus), Shell (มีส่วนผสมของ GTL) และ ABC (Smart Diesel) มีเลขซีเทนขั้นต่ำที่ 60 โดยมีค่าทั่วไปอยู่ที่ 63[4][5][6] น้ำมันดีเซลหมุนเวียน Neste MY Renewable Diesel ที่จำหน่ายในฟินแลนด์ มีเลขซีเทนขั้นต่ำที่ 70[7]
ในทวีปอเมริกาเหนือ รัฐส่วนใหญ่ใช้มาตรฐาน ASTM D975 เป็นมาตรฐานน้ำมันดีเซลและกำหนดเลขซีเทนขั้นต่ำไว้ที่ 40 โดยมีค่าทั่วไปอยู่ในช่วง 42–45 น้ำมันดีเซลพรีเมียมอาจมีหรือไม่มีเลขซีเทนสูงกว่านี้ก็ได้ขึ้นอยู่กับผู้จำหน่าย น้ำมันดีเซลพรีเมียมมักใช้สารเติมแต่งเพื่อปรับปรุงเลขซีเทนและการหล่อลื่น สารชะล้างเพื่อทำความสะอาดตัวฉีดเชื้อเพลิงและลดการสะสมของคาร์บอน ตัวกระจายน้ำ และสารเติมแต่งอื่น ๆ ขึ้นอยู่กับความต้องการทางภูมิศาสตร์และฤดูกาล[ต้องการอ้างอิง]. น้ำมันดีเซลในรัฐแคลิฟอร์เนียมีเลขซีเทนขั้นต่ำที่ 53[8] ภายใต้โครงการดีเซลปล่อยไอเสียต่ำของรัฐเท็กซัส (Texas Low Emission Diesel - TxLED) มี 110 เทศมณฑลที่กำหนดให้น้ำมันดีเซลต้องมีเลขซีเทน 48 หรือสูงกว่าหรือไม่เช่นต้องใช้สูตรทางเลือกที่ได้รับการอนุมัติหรือปฏิบัติตามขีดจำกัดทางเลือกที่กำหนด[9]
น้ำมันดีเซลหมุนเวียน Neste MY Renewable Diesel ที่จำหน่ายในอเมริกาเหนือ มีเลขซีเทน 70+[10]
สารเติมแต่ง
[แก้]แอลคิลไนเตรต (ส่วนใหญ่เป็น 2-เอทิลเฮกซิลไนเตรต[11]) และไดเทิร์ตบิวทิลเพอร์ออกไซด์ถูกใช้เป็นสารเติมแต่งเพื่อเพิ่มเลขซีเทน
เชื้อเพลิงทางเลือก
[แก้]ไบโอดีเซลที่มาจากแหล่งน้ำมันพืชมีเลขซีเทนอยู่ในช่วง 46 ถึง 52 และไบโอดีเซลที่มาจากไขมันสัตว์มีเลขซีเทนอยู่ระหว่าง 56 ถึง 60[12] ไดเมทิลอีเทอร์เป็นน้ำมันดีเซลที่มีศักยภาพเพราะมีค่าประเมินซีเทนสูง (55–60) และสามารถผลิตเป็นเชื้อเพลิงชีวภาพได้[13] อีเทอร์ธรรมดาส่วนใหญ่ รวมถึงอีเทอร์ที่เป็นของเหลว เช่น ไดเอทิลอีเทอร์สามารถใช้เป็นน้ำมันดีเซลได้ แม้ความสามารถในการหล่อลื่นอาจเป็นข้อกังวลก็ตาม
ความเกี่ยวข้องทางเคมี
[แก้]ซีเทนคือสารประกอบไฮโดรคาร์บอนที่มีสูตรเคมี C16H34 และโดยเฉพาะอย่างยิ่งมีสูตรโครงสร้าง CH3(CH2)14CH3 หรือมีชื่อเรียกอีกอย่างว่าเอ็น-เฮกซาดีเคน สารประกอบแอลเคนอิ่มตัวแบบไม่แตกกิ่ง ซีเทนจุดระเบิดภายใต้แรงอัดโดยมีเวลาหน่วงสั้น และถูกกำหนดให้มีเลขซีเทนเท่ากับ 100 แอลฟาเมทิลแนฟทาลีน ซึ่งมีเวลาหน่วงยาวนาน ถูกกำหนดให้มีเลขซีเทนเท่ากับ 0 แต่ถูกแทนที่ในฐานะเชื้อเพลิงอ้างอิงด้วย 2,3,4,5,6,7,8-เฮปตาเมทิลโนเนน ซึ่งถูกกำหนดให้มีเลขซีเทนเท่ากับ 15[2] ไฮโดรคาร์บอนอื่น ๆ ทั้งหมดในน้ำมันดีเซลจะถูกเทียบเคียงกับซีเทนในแง่ความรวดเร็วในการจุดระเบิดภายใต้แรงอัด นั่นคือ ภายใต้สภาวะของเครื่องยนต์ดีเซล เนื่องจากส่วนประกอบหลายร้อยชนิดรวมกันเป็นน้ำมันดีเซล เลขซีเทนโดยรวมของน้ำมันนั้นจึงเป็นคุณภาพซีเทนเฉลี่ยของส่วนประกอบทั้งหมด ส่วนประกอบที่มีซีเทนสูงจะส่งผลกระทบมากกว่าส่วนประกอบอื่น ๆ อย่างไม่สมส่วน จึงเป็นที่มาของการใช้สารเติมแต่งที่มีซีเทนสูง
การวัดเลขซีเทน
[แก้]เลขซีเทนนั้นค่อนข้างยากที่จะวัดได้อย่างแม่นยำ เนื่องจากต้องใช้เครื่องยนต์ดีเซลพิเศษที่เรียกว่าเครื่องยนต์ Cooperative Fuel Research (CFR) ภายใต้สภาวะการทดสอบมาตรฐาน ผู้ปฏิบัติงานของเครื่องยนต์ CFR จะใช้ล้อมือเพื่อเพิ่มอัตราส่วนการอัด (และดังนั้นจึงเพิ่มความดันสูงสุดภายในกระบอกสูบ) ของเครื่องยนต์จนกระทั่งช่วงเวลาระหว่างการฉีดเชื้อเพลิงและการจุดระเบิดเท่ากับ 2.407 มิลลิวินาที เลขซีเทนที่ได้จะถูกคำนวณโดยการพิจารณาว่าสารผสมของซีเทน (เฮกซาดีเคน) และไอโซซีเทน (2,2,4,4,6,8,8-เฮปตาเมทิลโนเนน) ในอัตราส่วนใดที่จะทำให้เกิดเวลาหน่วงการจุดระเบิดเท่ากัน
เครื่องทดสอบคุณภาพการจุดระเบิด (IQT)
[แก้]อีกวิธีที่เชื่อถือได้ในการวัดเลขซีเทนที่ได้ (Derived Cetane Number หรือ DCN) ของน้ำมันดีเซลคือ เครื่องทดสอบคุณภาพการจุดระเบิด (IQT) เครื่องมือนี้ใช้วิธีเรียบง่ายกว่าและแข็งแกร่งกว่าในการวัดเลขซีเทนเมื่อเทียบกับ CFR เชื้อเพลิงจะถูกฉีดเข้าไปในห้องเผาไหม้ปริมาตรคงตัวที่อุณหภูมิประมาณ 575 องศาเซลเซียส (1,067 องศาฟาเรนไฮต์) และความดัน 310 ปอนด์ต่อตารางนิ้ว (21 บาร์) เวลาที่ผ่านไปนับตั้งแต่เริ่มต้นการฉีดไปจนถึงการที่ความดันในห้องเผาไหม้กลับคืนสู่ 310 ปอนด์ต่อตารางนิ้ว (21 บาร์) ถูกกำหนดให้เป็นเวลาหน่วงการจุดระเบิด เวลาหน่วงการจุดระเบิดที่วัดได้นี้จะถูกนำไปใช้ในการคำนวณ DCN ของเชื้อเพลิง จากนั้น DCN ของเชื้อเพลิงจะถูกคำนวณโดยใช้ความสัมพันธ์ผกผันเชิงประจักษ์กับเวลาหน่วงการจุดระเบิด ด้วยความสามารถในการทำซ้ำได้ ต้นทุนวัสดุ และความเร็วของ IQT ทำให้วิธีนี้กลายเป็นแหล่งข้อมูลที่แน่นอนสำหรับการวัด DCN ของเชื้อเพลิงตั้งแต่ปลายทศวรรษ 2000[14][15][16]
เครื่องทดสอบการจุดระเบิดของเชื้อเพลิง
[แก้]อีกวิธีที่เชื่อถือได้ในการวัดเลขซีเทนที่ได้ของน้ำมันดีเซลคือเครื่องทดสอบการจุดระเบิดของเชื้อเพลิง (FIT) เครื่องมือนี้ใช้วิธีเรียบง่ายกว่าและแข็งแกร่งกว่าในการวัดเลขซีเทนเมื่อเทียบกับ CFR เชื้อเพลิงถูกฉีดเข้าไปในห้องเผาไหม้ปริมาตรคงตัวซึ่งมีอุณหภูมิแวดล้อมประมาณ 575 องศาเซลเซียส (1,067 องศาฟาเรนไฮต์) เชื้อเพลิงจะเกิดการเผาไหม้ และอัตราการเปลี่ยนแปลงความดันภายในห้องที่สูงจะกำหนดจุดเริ่มต้นการเผาไหม้ จากนั้นสามารถคำนวณเวลาหน่วงการจุดระเบิดของเชื้อเพลิงได้ว่าเป็นเวลาที่ผ่านไปนับตั้งแต่เริ่มต้นการฉีดเชื้อเพลิงไปจนถึงจุดเริ่มต้นของการเผาไหม้ จากนั้นสามารถคำนวณเลขซีเทนที่ได้ของเชื้อเพลิงโดยใช้ความสัมพันธ์ผกผันเชิงประจักษ์กับเวลาหน่วงการจุดระเบิด
ดัชนีซีเทน
[แก้]สถิติอีกตัวหนึ่งที่ผู้ใช้เชื้อเพลิงใช้ในการควบคุมคุณภาพคือดัชนีซีเทน (Cetane Index หรือ CI) ซึ่งเป็นค่าที่คำนวณได้โดยอิงจากความหนาแน่นและช่วงการกลั่นของเชื้อเพลิง มีดัชนีซีเทนหลายรูปแบบขึ้นอยู่กับว่าจะใช้หน่วยเมตริกหรืออังกฤษ และจำนวนจุดกลั่นที่ใช้ ทุกวันนี้ บริษัทน้ำมันส่วนใหญ่ใช้วิธี '4 จุด', เอเอสทีเอ็ม D4737 โดยอิงตามความหนาแน่นและอุณหภูมิการกลั่นคืนตัวที่ 10%, 50% และ 90% วิธี '2 จุด' ถูกกำหนดไว้ใน ASTM D976 และใช้เพียงแค่ความหนาแน่นและอุณหภูมิการกลั่นคืนตัวที่ 50% วิธี 2 จุดนี้มีแนวโน้มจะประเมินดัชนีซีเทนสูงเกินไปและไม่แนะนำ การคำนวณดัชนีซีเทนไม่สามารถคำนึงถึงสารเติมแต่งปรับปรุงซีเทนได้ ดังนั้นจึงไม่สามารถวัดเลขซีเทนสุทธิสำหรับน้ำมันดีเซลที่มีสารเติมแต่ง การทำงานของเครื่องยนต์ดีเซลมีความเกี่ยวข้องหลักกับเลขซีเทนจริง และดัชนีซีเทนเป็นเพียงการประมาณค่าของเลขซีเทนพื้นฐาน (ที่ไม่มีสารเติมแต่ง)[โปรดขยายความ] เท่านั้น
มาตรฐานอุตสาหกรรม
[แก้]มาตรฐานอุตสาหกรรมสำหรับการวัดเลขซีเทน ได้แก่ ASTM D613 (ISO 5165) สำหรับเครื่องยนต์ CFR, D6890 สำหรับ IQT และ D7170 สำหรับ FIT
ดูเพิ่ม
[แก้]อ้างอิง
[แก้]- ↑ Werner Dabelstein, Arno Reglitzky, Andrea Schütze and Klaus Reders "Automotive Fuels" in Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, 2007, Wiley-VCH, Weinheim.doi:10.1002/14356007.a16_719.pub2
- 1 2 3 Speight, James G. (2014-12-12). Handbook of Petroleum Product Analysis: Speight/Handbook of Petroleum Product Analysis (ภาษาอังกฤษ). Hoboken, NJ: John Wiley & Sons, Inc. doi:10.1002/9781118986370. ISBN 978-1-118-98637-0.
- ↑ bosch.de (German) เก็บถาวร ธันวาคม 24, 2007 ที่ เวย์แบ็กแมชชีน
- ↑ "St1 Diesel plus -20 °C Product Data Sheet" (PDF). 2018-03-15.
- ↑ "Shell Diesel Summer -20 °C Product Data Sheet" (PDF). 2018-03-15. คลังข้อมูลเก่าเก็บจากแหล่งเดิม (PDF)เมื่อ 2020-01-03. สืบค้นเมื่อ 2020-01-03.
- ↑ "NEOT DIESEL -10/-20, NEOT DIESEL -10/-20 Premium Smart Diesel Data Sheet" (PDF). 2018-03-15.
- ↑ "Neste MY Renewable Diesel Product Data Sheet" (PDF). 2019-01-01.
- ↑ "Specs table" (PDF). www.arb.ca.gov. คลังข้อมูลเก่าเก็บจากแหล่งเดิม (PDF)เมื่อ 2017-02-21. สืบค้นเมื่อ 2013-06-08.
- ↑ "Texas Low Emission Diesel (TxLED) Program". TCEQ.
- ↑ "The Advantages of Neste MY Renewable Diesel (HVO or R99 Diesel)". Neste in North America (ภาษาอังกฤษ). 2022-07-22. สืบค้นเมื่อ 2023-10-16.
- ↑ dorfketal.com เก็บถาวร สิงหาคม 8, 2007 ที่ เวย์แบ็กแมชชีน
- ↑ "Biodiesel Cetane Number Engine Testing Comparison to Calculated Cetane Index Number" (PDF). www.biodiesel.org. คลังข้อมูลเก่าเก็บจากแหล่งเดิม (PDF)เมื่อ 2007-07-14. สืบค้นเมื่อ 2008-09-13.
- ↑ Olah, G.A.; Goeppert, A.; Prakash, G.K. (2006). "11". Beyond Oil and Gas: The Methanol Economy.
- ↑ Heyne, Kirby, Boehman, Energy & Fuels, 2009. doi:10.1021/ef900715m
- ↑ Dooley, Stephen; Hee Won, Sang; Heyne, Joshua; Farouk, Tanvir I.; Ju, Yiguang; Dryer, Frederick L.; Kumar, Kamal; Hui, Xin; Sung, Chih-Jen; Wang, Haowei; Oehlschlaeger, Matthew A.; Iyer, Venkatesh; Iyer, Suresh; Litzinger, Thomas A.; Santoro, Robert J.; Malewicki, Tomasz; Brezinsky, Kenneth (2012). "The experimental evaluation of a methodology for surrogate fuel formulation to emulate gas phase combustion kinetic phenomena". Combustion and Flame. 159 (4): 1444–1466. doi:10.1016/j.combustflame.2011.11.002.
- ↑ Dooley, Stephen; Hee Won, Sang; Chaos, Marcos; Heyne, Joshua; Ju, Yiguang; Dryer, Frederick L.; Kumar, Kamal; Sung, Chih-Jen; Wang, Haowei; Oehlschlaeger, Matthew A.; Santoro, Robert J.; Litzinger, Thomas A. (2010). "A jet fuel surrogate formulated by real fuel properties". Combustion and Flame. 157 (12): 2333–2339. doi:10.1016/j.combustflame.2010.07.001.
หนังสืออ่านเพิ่ม
[แก้]- John B. Heywood (1988). Internal Combustion Engine Fundamentals. McGraw Hill. ISBN 0-07-100499-8.
- Keith Owen, Trevor Coley SAE (1995). Automotive Fuels Reference Book. ISBN 1-56091-589-7.