王家興，張會(huì)成，凌鳳香

(中國(guó)石化大連石油化工研究院，遼寧 大連 116045)

1 引 言

十六烷值用來(lái)評(píng)定柴油的著火性能,其值越高，則柴油的自燃性能越好，點(diǎn)燃延遲期越短；其值過(guò)低，點(diǎn)燃延遲期就會(huì)變長(zhǎng)。目前十六烷值采用發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)法進(jìn)行評(píng)定[1～3]，廣泛采用的是美國(guó)Waukesha的十六烷值機(jī)。由中國(guó)石化撫順石油化工研究院研發(fā)的FCD-Ⅱ型風(fēng)量調(diào)節(jié)法十六烷值機(jī)也被廣泛用于柴油十六烷值的檢測(cè)[4]，各大科研院所或質(zhì)檢機(jī)構(gòu)將其用于日常控制分析。這兩種儀器都是基于內(nèi)插法進(jìn)行十六烷值的測(cè)試，操作人員需要利用副標(biāo)準(zhǔn)燃料T26和U19混合配制兩種標(biāo)準(zhǔn)樣品，且要求兩種標(biāo)準(zhǔn)樣品十六烷值之差不大于5.0[5]，同時(shí)要確保試驗(yàn)樣品的十六烷值在兩種標(biāo)準(zhǔn)燃料的十六烷值之間。這種方式有兩個(gè)不足，第一是標(biāo)準(zhǔn)燃料的成本很高，試樣數(shù)量多時(shí)，消耗量大；第二是標(biāo)準(zhǔn)樣品配制對(duì)操作者要求高，步驟較為繁瑣。

近年來(lái)隨著儀器制造水平的提高，分析儀器自動(dòng)化程度不斷提高，減少操作復(fù)雜性，使操作人員易于試驗(yàn)已經(jīng)成為一種儀器開(kāi)發(fā)的趨勢(shì)。在操作難易程度方面，F(xiàn)CD-Ⅱ型風(fēng)量調(diào)節(jié)法十六烷值機(jī)具有明顯優(yōu)勢(shì)，它將一些功能進(jìn)行了整合，操作面板具有更強(qiáng)的可讀性和易于操作性。設(shè)計(jì)方式和操作過(guò)程更符合我國(guó)操作人員的習(xí)慣，開(kāi)發(fā)非常具有針對(duì)性[4]。

基于風(fēng)量調(diào)節(jié)法柴油十六烷值測(cè)定機(jī)提出了一種十六烷值預(yù)測(cè)方法，目的是通過(guò)這種預(yù)測(cè)能夠快速地測(cè)定柴油十六烷值[6～8]；同時(shí)，能夠減少標(biāo)準(zhǔn)燃料的消耗，即減少副標(biāo)T26和U19的使用量，節(jié)省臺(tái)架試驗(yàn)成本，尤其對(duì)控制分析或科研試驗(yàn)具有重要意義。

2 儀器工作原理及結(jié)構(gòu)

FCD-Ⅱ型風(fēng)量調(diào)節(jié)法十六烷值機(jī)是采用固定著火滯后期法測(cè)定柴油十六烷值。該方法在標(biāo)準(zhǔn)操作條件下，將試樣的著火性質(zhì)與已知十六烷值的標(biāo)準(zhǔn)燃料著火性質(zhì)相比較來(lái)測(cè)定。

具體方法是改變?nèi)剂先紵龝r(shí)所需的進(jìn)氣量，以此來(lái)獲得準(zhǔn)確的著火滯后期，即燃料噴射開(kāi)始和燃燒開(kāi)始之間的時(shí)間間隔。不同的燃料燃燒時(shí)所需進(jìn)氣量不同。根據(jù)試樣風(fēng)量讀數(shù)，選擇十六烷值差值不大于5個(gè)單位的兩種標(biāo)準(zhǔn)燃料，以得到固定的著火滯后期。當(dāng)試樣的風(fēng)量讀數(shù)處于兩種標(biāo)準(zhǔn)燃料的風(fēng)量讀數(shù)之間時(shí)，用內(nèi)插法計(jì)算試樣的十六烷值。

風(fēng)量調(diào)節(jié)法十六烷值機(jī)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 風(fēng)量調(diào)節(jié)法十六烷值機(jī)結(jié)構(gòu)框圖

3 預(yù)測(cè)方法的選擇

通過(guò)大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)，結(jié)果表明柴油十六烷值與風(fēng)量讀數(shù)之間存在一定關(guān)系，十六烷值在50到60范圍內(nèi)，兩者之間線性度很好；當(dāng)十六烷值低于50時(shí)，或在檢測(cè)下限35到50范圍內(nèi)，線性度很差；在典型測(cè)試范圍35～65內(nèi)不具備線性關(guān)系。對(duì)風(fēng)量讀數(shù)與柴油十六烷值相關(guān)性進(jìn)行擬合，所擬合曲線用冪函數(shù)表達(dá)更為適宜。冪函數(shù)的特點(diǎn)是自變量較小且在小區(qū)間變化時(shí)，因變量變化速率更快，如圖2所示。選擇冪函數(shù)曲線來(lái)近似風(fēng)量讀數(shù)與柴油十六烷值之間的關(guān)系，從而得到柴油十六烷值。

圖2 十六烷值與風(fēng)量讀數(shù)的冪曲線趨勢(shì)圖

4 十六烷值計(jì)算模型的建立

4.1 普通柴油的預(yù)測(cè)模型

分別對(duì)多個(gè)不同編號(hào)、不同十六烷值的柴油樣品進(jìn)行測(cè)定，得到臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果和風(fēng)量讀數(shù)如表1所示。

表1 普通柴油十六烷值與風(fēng)量讀數(shù)

根據(jù)表1，柴油十六烷值與風(fēng)量讀數(shù)的冪指數(shù)函數(shù)為y=1 784.8x-0.562，繪制擬合的冪指數(shù)曲線如圖3所示。

4.2 生物柴油的預(yù)測(cè)模型

對(duì)樣品編號(hào)為S1～S10的生物柴油樣品進(jìn)行了試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果與風(fēng)量讀數(shù)見(jiàn)表2。

圖3 生物柴油十六烷值預(yù)測(cè)模型的擬合曲線

表2 生物柴油十六烷值與風(fēng)量讀數(shù)

根據(jù)表2生物柴油試驗(yàn)結(jié)果，生物柴油十六烷值與風(fēng)量讀數(shù)的冪指數(shù)函數(shù)為y=1 834.6x-0.568，繪制擬合的冪指數(shù)曲線如圖4所示。

圖4 生物柴油十六烷值預(yù)測(cè)模型的擬合曲線

5 不同種類柴油的誤差預(yù)測(cè)

5.1 普通柴油樣品的誤差預(yù)測(cè)

為了比較臺(tái)架試驗(yàn)的實(shí)測(cè)值與冪指數(shù)計(jì)算值，對(duì)編號(hào)為11～15的普通柴油樣品進(jìn)行預(yù)測(cè)，根據(jù)著火固定期法，調(diào)整至標(biāo)準(zhǔn)操作條件，讀出以上5個(gè)樣品的風(fēng)量讀數(shù)，根據(jù)擬合曲線預(yù)測(cè)出各個(gè)樣品十六烷值。預(yù)測(cè)結(jié)果和臺(tái)架試驗(yàn)的對(duì)比結(jié)果如表3所示。

表3 冪指數(shù)計(jì)算結(jié)果與臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果比對(duì)

十六烷值與臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果比對(duì)表明，普通柴油十六烷值計(jì)算值與實(shí)際測(cè)量值最大誤差值為0.6。根據(jù)GB/T 386—2010及GB/T 33298—2016有關(guān)重復(fù)性和再現(xiàn)性內(nèi)容，并與其重復(fù)性進(jìn)行比較，重復(fù)性最小不超過(guò)0.8。預(yù)測(cè)誤差完全可以滿足重復(fù)性要求?？梢钥闯鐾ㄟ^(guò)冪指數(shù)計(jì)算法得到的十六烷值與實(shí)測(cè)值較為接近，具有重要參考價(jià)值，在控制分析及科學(xué)研究試驗(yàn)過(guò)程中，可以使用這種方法得到柴油十六烷值[9]。

5.2 生物柴油樣品的誤差預(yù)測(cè)

為了更全面地考察擬合曲線預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性和適用性，又對(duì)一組生物柴油樣品進(jìn)行了臺(tái)架試驗(yàn)和預(yù)測(cè)值的比對(duì)，結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 BD1～BD5生物柴油樣品比對(duì)結(jié)果

由表4可知，BD1～BD5生物柴油樣品的預(yù)測(cè)最大誤差為0.5個(gè)十六烷值。預(yù)測(cè)最大誤差小于GB/T 33298—2016方法中規(guī)定的重復(fù)性最小值。

6 柴油十六烷值預(yù)測(cè)模型的校正

為了進(jìn)一步提高冪指數(shù)曲線擬合的精度，對(duì)已有的預(yù)測(cè)模型進(jìn)行校正，采用標(biāo)準(zhǔn)樣品的臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果來(lái)校正擬合冪指數(shù)曲線。由于標(biāo)準(zhǔn)樣品的性質(zhì)更為穩(wěn)定，標(biāo)準(zhǔn)樣品的十六烷值為已知，通過(guò)對(duì)其十六烷值進(jìn)行預(yù)測(cè)，再通過(guò)計(jì)算得到標(biāo)準(zhǔn)樣品的十六烷值與其十六烷值預(yù)測(cè)值的比值。十六烷值機(jī)的性能保持不變，可以認(rèn)為測(cè)試得到的柴油試樣的十六烷值與柴油試樣的十六烷值預(yù)測(cè)值的比值等于上述標(biāo)準(zhǔn)樣品的比值。通過(guò)計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)樣品的十六烷值與其預(yù)測(cè)值的比值從而確定校正因子k：

式中:CN為柴油試樣的十六烷值；CN1為柴油試樣的十六烷值的預(yù)測(cè)值；CN2為標(biāo)準(zhǔn)樣品的十六烷值；CN22為標(biāo)準(zhǔn)樣品的十六烷值預(yù)測(cè)值。

選取編號(hào)為JZ-1柴油試樣，對(duì)其進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)，得到風(fēng)量讀數(shù)為752，帶入擬合曲線得到其預(yù)測(cè)值為43.2；對(duì)十六烷值為45的標(biāo)準(zhǔn)樣品進(jìn)行試驗(yàn)，得到風(fēng)量讀數(shù)687，帶入擬合曲線得到其預(yù)測(cè)值為45.4。因此，柴油試樣近似十六烷值為

由于該柴油試樣的近似十六烷值不是通過(guò)兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)樣品的十六烷值內(nèi)插計(jì)算得到，而是通過(guò)擬合曲線方法間接得到；所以上述結(jié)果僅為近似十六烷值或者稱為校正后的預(yù)測(cè)十六烷值。通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)樣品的校正，得到十六烷值水平在45時(shí)的校正系數(shù)k=45/45.4=0.991。

7 結(jié) 論

建立了普通柴油樣品及生物柴油樣品十六烷值的預(yù)測(cè)模型，并根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)樣品十六烷值與十六烷值預(yù)測(cè)值的比值給出柴油試樣十六烷值預(yù)測(cè)值的校正過(guò)程，并給出了校正系數(shù)k。通過(guò)研究?jī)缰笖?shù)預(yù)測(cè)方法得到如下結(jié)論：

(1)普通柴油樣品十六烷值的預(yù)測(cè)誤差最大為0.6個(gè)單位，生物柴油樣品的十六烷值預(yù)測(cè)誤差最大為0.5個(gè)單位；

(2)臺(tái)架試驗(yàn)按照GB/T 386—2010標(biāo)準(zhǔn)消耗標(biāo)準(zhǔn)樣品量為300 mL，冪指數(shù)法可節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)樣品的使用，首次使用標(biāo)準(zhǔn)樣品校正預(yù)測(cè)曲線后，后續(xù)臺(tái)架試驗(yàn)不需要標(biāo)準(zhǔn)樣品就可以得到結(jié)果；

(3)冪指數(shù)預(yù)測(cè)模型為十六烷值測(cè)量實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化檢測(cè)提供了條件。