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标准方法及新型等容燃烧室法的对比分析

2020-10-23 186 上传者：管理员

摘要：柴油尾气是造成中国大气污染的重要来源，十六烷值是衡量柴油着火性能的主要指标，目前国内普遍采用标准发动机法测定柴油的十六烷值。采用等容燃烧室法测定柴油着火延迟和燃烧延迟，通过公式计算柴油衍生十六烷值，是一种新型的十六烷值测定方法。利用新、旧方法的典型仪器进行试验，结果表明2种方法测定数据重复性和再现性符合要求，数据一致性良好。相较于标准发动机法，新型等容燃烧室法仪器具有操作简便、数据稳定、测量范围广、使用成本低等诸多优点。新型方法的广泛使用，将提高各地柴油十六烷值测定效率，进而保证柴油品质及充分燃烧，为减少柴油尾气污染物排放供技术支撑。

关键词：
十六烷值
发动机法
技术支撑
柴油尾气
燃料化工
等容燃烧室法
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在全球范围内，柴油的需求量已超过了汽油，并呈现出持续增长的势头。在柴油机迅速发展的同时，其排出的尾气污染物含有多种有害物质，其中含量最多、对人体健康危害最大的气态污染物主要有CO、NOx和HC等，大气浓度分担率分别达到92%、64%和51%[1];此外，柴油车尾气中PM10和PM2.5等颗粒物排放量也相当巨大[2,3]。相关研究表明，柴油尾气中NOx、HC和颗粒物的排放，均能够随十六烷值(CN)增加而相应减少[4]，成品柴油质量直接影响柴油机尾气污染物排放量，因此控制柴油油品质量至关重要。

十六烷值是代表柴油在发动机中着火性能的一个约定量值，能够用来衡量柴油品质，是保证柴油充分燃烧从而减少尾气污染排放的一项重要指标[5]。如果柴油十六烷值偏低，则滞燃期长，使喷入燃烧室的柴油积聚而瞬间燃烧，以致气缸压力突然猛增而造成爆震，使柴油机零件磨损加剧，启动困难，浪费燃料，燃烧室易结焦积炭;柴油的十六烷值偏高，则导致滞燃期过短，在燃烧室内提早生成过氧化物，在未形成良好的混合气体以前提前着火，并使部分烷烃分解生成游离碳，而随废气排出形成浓烟，造成严重的大气污染[6]。

柴油十六烷值一般是在规定条件下的单缸四冲程发动机中试验，通过对标准燃料的测定后进行数据比较来测得的，通常采用和被测定燃料具有相同着火延迟期的标准燃料中十六烷的体积百分数来表示[7]。我国现行《柴油十六烷值测定法》(GB/T386—2010)主要是标准发动机法，又称压缩比法，简称为CFR法[8];国外推出一种新型的等容燃烧室法测定柴油着火延迟和燃烧延迟衍生十六烷值(DCN)的标准试验方法，简称为CVCC法。本文利用新型等容燃烧室法和标准发动机法同时测定成品柴油十六烷值，并就新、旧2种方法的测量原理、仪器特点以及测定结果等方面进行对比分析[9]。

1、方法设备

1.1测量原理

标准发动机法基于美国材料实验协会标准(ASTMD613)[10]，是我国的标准方法———《柴油十六烷值测定法》(GB/T386—2010)[11]，其测量原理主要是:通过调节手轮读数来调节发动机的压缩比，获得被测试样确定的“着火滞后期”，即喷油开始和燃烧开始之间的时间间隔。根据测试样得到的发动机的压缩比，选用相差不大于5个十六烷值单位的2种标准燃料，用同样的方法得到其确定的“着火滞后期”。当试样的压缩比处在选用的2种标准燃料的压缩比之间时，根据手轮读数，用内插法计算得出试样的十六烷值。

新型等容燃烧室法基于美国材料试验协会标准(ASTMD7668)[12]，其测量原理主要是:通过将1份样本喷入加热温控定容并且充满符合质量要求压缩空气的燃烧室内，每次喷油都会产生一个压缩着火燃烧周期，并由压力传感器监控整个过程。从启动喷油电磁阀的电子信号产生开始，到燃烧周期内产生的燃烧压力波上的2个特定点为止，在这段时间内测定着火延迟和燃烧延迟的时间。整个过程包括5次初步喷油周期，随后还有15次喷油周期用来分析样本。着火延迟和燃烧延迟的测量数值需要在随后的15次喷油周期中得到审核，最后使用转换公式将着火延迟平均值和燃烧延迟平均值转化成衍生十六烷值。

1.2仪器设备

标准发动机法采用CFR-F5型柴油十六烷值机(图1)[13]，该仪器主要由空气进入系统、燃料供应系统、润滑油供应系统、燃烧室汽缸冷却系统、进气门及排气门控制摇臂总成、发动机拖动总成、安全油路切断系统、安全切断回路保护系统、可变压缩比手轮调节总成、燃油喷射泵及喷油器喷油嘴总成以及电气控制及仪表总成等组成。

图1CFR-F5型柴油十六烷值机

新型等容燃烧室法采用CID510型柴油十六烷值机(图2)，该仪器采用综合自动分析测试系统，主要由燃烧室、喷油系统、冷却系统、仪器传感器、压缩气体调节器、计算机控制、数据采集、数据分析以及汇报系统等组成。

以上述2种典型测量设备为例，新、旧2种方法仪器的主要性能特点见表1。由表1可知，标准发动机法仪器使用成本高，污染高(废气、噪声等)，方法陈旧，效率低下，需要的操作空间大，试验前的校准频次高，数据的重复性和再现性一般;而新型等容燃烧室法仪器不仅成本低、体积小、质量小、污染少，而且自动化程度高，可以有效减小人工误差，降低工作强度，改善工作环境，数据的重复性和再现性较高。

图2CID510型柴油十六烷值机

表1两种方法仪器主要性能特点对比

注:新型等容燃烧室法与标准发动机法相比，初始成本约为后者1/2，后期成本约为后者1/5。

1.3样品准备

柴油出厂到达区域性的油库后，不同的销售渠道会根据各自的情况，使用不同的添加剂和改进剂对柴油进行一定的调和，所以市场上加油站实际销售的成品柴油十六烷值与刚出厂时已有所区别。为了对比分析新型等容燃烧室法与标准发动机法测定真实柴油样品的一致性，试验随机选择了15个加油站的30个加油枪进行样品取样，加油站涉及中石化、中石油、中海油以及壳牌等，测试样品具有广泛代表性。

采样容器均采用2L的镀铬铁筒，为了防止柴油样品的膨胀因素，取样量均为容器的80%容积。采样后，样品的运输均在避光、防止暴晒且温度控制在18～32℃环境下，由采样地点运输到实验室。样品取回后，放在实验室避光处存储，实验室温度控制在18～24℃。在使用样品前，对于标准发动机法，采用1类A级滤纸在室温常压下过滤柴油样品;对于新型等容燃烧室法，因为分析仪器内置过滤器，过滤滤膜孔径为5μm，故不需要提前对柴油样品进行预过滤。

1.4质量控制

此次对比试验过程，需要对以下条件进行严格控制，以提高数据的准确度和精密度，得出较好的测量数据。试验条件控制如下:实验室保持无尘、恒温、恒湿;为降低测量的随机误差，实验室的温度控制在18～24℃，相对湿度小于50%;使用不透明容器，尽量避免样品直接暴露在阳光或紫外线下，使测试数据具有代表性，误差较小;为减小采集样品及测试过程中的过失误差，每次测试之前先用样品清洗样品池;试验所用器具清洗干净，防止交叉污染[14]。

2、结果与分析

2.1重复性分析

重复性是指在同一个实验室、使用相同的方法、由同一操作者、使用同一仪器，对同一试样测得的2个连续试验结果之差[11]。

采用二级副标油配置成检验燃料，使用新型等容燃烧室法在1d内分别测定8次，测定条件相同，记录测定结果。检验燃料十六烷值分别为49.7、49.8、49.8、49.4、49.5、49.5、49.7、49.8CN，平均49.6CN，标准偏差为0.16CN，相对标准偏差为0.32%。

由测定结果可知，新型等容燃烧室法重复性试验数据最大差值为0.4CN，小于《柴油十六烷值测定法》(GB/T386—2010)中0.9CN的重复性要求，并且测定数据的标准偏差(0.16CN)和相对标准偏差(0.32%)均较小，表明新型等容燃烧室法的重复性优于标准发动机法。

2.2再现性分析

再现性是指在不同的实验室、使用相同的方法、由不同的操作者、使用不同的仪器，对同一试样测得的2个单一、独立的试验结果之差[11]。

关于新型等容燃烧室法与标准发动机法的再现性，文章直接引用2013年ASTM/EI-ILS联合实验测试再现性结果，如图3所示。

图3等容燃烧室法与发动机法再现性比较

由图3可知，基于ASTMD7668标准的测试方法再现性在0.6～2.2CN，基于ASTMD613标准的测试方法再现性在1.9～6.3CN，均满足《柴油十六烷值测定法》(GB/T386—2010)中的再现性要求，并且基于ASTMD7668的新型等容燃烧室法的再现性优于基于ASTMD613的标准发动机法。

2.3一致性分析

此次试验共涉及30组来自不同厂商、不同加油站的柴油样品，分别采用新、旧2种方法进行测定，柴油十六烷值结果见表2。

表2两种方法测定十六烷值结果

由表2可知，2组样品的30对测定数据，新型等容燃烧室法柴油十六烷值的测定结果48.4～57.2CN，标准发动机法柴油十六烷值的测定结果47.7～56.6CN，测定结果差值在-1.3～0.8CN。

2种方法测量结果的一致性，通常采用配对t检验、相关系数分析、组内相关系数分析以及BlandAltman法等方法进行验证[15]。

为准确判断新型等容燃烧室法和标准发动机法测定十六烷值数据的一致性，同时采用配对t检验和相关系数分析2种方法进行验证，数据线性如图4所示。

图4两种方法测定数据线性

配对t检验的原理是，2种测量仪器结果差值与均数为0的总体进行比较，主要检验的是2种测量仪器的系统误差是否有差别。将2种方法的测量数据代入相应公式，经过计算得到t=0.89，自由度=29，通过查表得到t0.05(29)=2.045。配对t检验结果表明，2种方法在对市场上加油站销售的柴油样品测定数据在统计学上无显著性差异。

相关系数是用于表示2组定量资料线性相关关系的密切程度，是基于测量个体间变异以及测量方法间变异计算得到的。将表2中2种方法的测量数据代入相应公式，经过计算得相关系数为0.9701，通过查对相关系数显著性检验表，2组测定数据相关系数在0.001水平显著。相关系数分析结果表明，2种方法对市场上加油站销售的柴油样品测定数据相关性极高。

综上所述，新型等容燃烧室法和标准发动机法同时测定加油站成品柴油十六烷值，配对t检验结果表明2组数据在统计学上无显著性差异。相关系数分析结果表明2组数据相关性极高，并且2种方法测定差值较小(均在-1.3～0.8CN)。总体分析表明，新、旧2种方法测定数据的一致性良好。

3、结论

试验结果表明，新型等容燃烧室法测定数据的重复性和再现性均优于标准发动机法;新型等容燃烧室法与标准发动机法测定柴油十六烷值相比，配对t检验表明数据无显著性差异，相关系数分析表明数据相关性极高，2种方法测定数据一致性良好。

与标准发动机法仪器比较，新型等容燃烧室法仪器不仅体积小、污染少，还具有操作简便、数据稳定、测量范围广、使用成本低等优点，可以有效减小人工误差，降低工作强度，改善工作环境，具备成为柴油十六烷值标准测试方法的基本条件。

新型等容燃烧室法能够快速、准确地测定柴油十六烷值，广泛应用后将提高柴油十六烷值的测定效率，进而提高柴油品质、确保充分燃烧，是加快柴油油品质量升级、减少柴油尾气污染物排放的重要技术支撑。

参考文献：

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