風量調節(jié)法測定柴油十六烷值的方法研究

張會成，付 偉，郭亞平，凌鳳香，高 波，程仲芊

(1.中國石化撫順石油化工研究院，遼寧 撫順 113001； 2.中國石油化工股份有限公司科技部)

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風量調節(jié)法測定柴油十六烷值的方法研究

張會成1，付 偉2，郭亞平1，凌鳳香1，高 波1，程仲芊1

(1.中國石化撫順石油化工研究院，遼寧 撫順 113001； 2.中國石油化工股份有限公司科技部)

簡述了風量調節(jié)法測定十六烷值的方法原理，利用FCD-Ⅱ柴油十六烷值測定機進行風量調節(jié)法測定柴油十六烷值的方法研究，研究了風量與十六烷值的關系，采用8個不同十六烷值的柴油樣品對該方法的重復性進行考察，并與壓縮比法測定結果進行對比。結果表明：風量與十六烷值呈非線性關系，通過參比燃料、利用內插方法可以精確計算十六烷值；該方法在十六烷值為25～75范圍內的測量重復性小于1.0個單位，與壓縮比法測定結果具有很好的一致性；風量調節(jié)法具有油品適用范圍廣、十六烷值測定范圍寬、穩(wěn)定性好、節(jié)省標準燃料和試樣、操作簡單的優(yōu)點，可以作為柴油十六烷值的測定方法。

十六烷值 風量調節(jié) 壓縮比 柴油

柴油的發(fā)火性表示柴油的自燃能力，即柴油經高壓壓縮后著火的難易程度，是柴油的重要使用性能之一，一般采用十六烷指數(shù)、衍生十六烷值或十六烷值來表征。目前，十六烷指數(shù)一般采用GBT 11139 或 SHT 0694 方法關聯(lián)計算[1-2]，衍生十六烷值采用 ASTM D6890[3]方法測定，十六烷值采用 GBT 386[4]方法測定。十六烷指數(shù)計算法是利用不同的物性關聯(lián)[5-6]，但由于關聯(lián)的物性存在分析誤差，以及組成結構信息不全，導致計算結果偏差較大，特別是對含添加劑的柴油不適用。ASTM D6890 等容燃燒法測定衍生十六烷值采用模擬發(fā)動機，以正庚烷作為校正樣品，對溫度、壓力等參數(shù)的測量精確度要求高，需要多次進行預試驗滿足要求后，再進行多次統(tǒng)計試驗，條件要求苛刻。GBT 386 十六烷值測定法是一種壓縮比調節(jié)方法，該方法使用專用測試儀器，費用昂貴，操作難度大，而且耗時長，樣品用量大，維修、維護困難。因此，中國石化撫順石油化工研究院開發(fā)了一種新的柴油十六烷值測定方法，即風量調節(jié)法[7]，對燃燒氣缸內的溫度流場、壓力流場及空氣速度分布進行大量模擬研究，在理論上證實了該方法的科學性[8]。本課題利用FCD-Ⅱ柴油十六烷值測定機進行風量調節(jié)法測定十六烷值的方法研究，采用實際柴油樣品測定十六烷值，研究十六烷值與風量的關系，考察測定結果的重復性，并與壓縮比法測定結果進行對比。

1 實 驗

1.1 試驗設備

FCD-Ⅱ柴油十六烷值測定機：單缸四沖程，缸徑×行程為 90 mm×90 mm，轉速(1 000±10) r/min，壓縮比 21，進油量 10 mL/(90 s±1.5 s)，噴油提前角 20°，發(fā)火延遲角 20°，噴油壓力(12.75±0.5) MPa，等容可變壓縮力調節(jié)范圍 0～20 kPa，風量表讀數(shù)范圍 0～1 000。

ASTM CFR 十六烷值測定機：適用于GB/T 386標準(壓縮比法)，缸徑×行程為 82.5 mm×114.3 mm，轉速(900±9)r/min，進油量(13.0±0.2) mL/min，噴油提前角 13°，發(fā)火延遲角 13°，噴油壓力(10.30±0.34) MPa。

1.2 試驗原料

柴油樣品：由燃料調合得到 8 個不同十六烷值的柴油樣品(A～H)，其十六烷值分別為30，38，42，48，55，63，68，72。

檢驗燃料：2 個檢驗燃料樣品(J1和J2)，其十六烷值分別為42和53，美國菲利普斯石油公司生產。

2 風量調節(jié)法測定十六烷值的原理

2.1 十六烷值與自燃點的關系

烴類的十六烷值與其分子結構有關，不同結構烴類的十六烷值見表1。對于純化合物而言，碳數(shù)多的直鏈烷烴，其十六烷值大于碳數(shù)少的直鏈烷烴；含支鏈烷烴的十六烷值較低，支鏈越多，十六烷值越低；芳烴的十六烷值最低，并且芳環(huán)數(shù)越多，十六烷值越低，芳環(huán)上含有烷烴取代基時可提高其十六烷值，取代基碳鏈越長十六烷值越高?；衔镒匀键c與分子結構的關系[9]見表2。碳數(shù)多的直鏈烷烴，其自燃點低于碳數(shù)少的直鏈烷烴；含支鏈的烷烴自燃點較高，支鏈越多，自燃點越高；芳烴的自燃點最高，并且芳環(huán)越多，自燃點越高，芳環(huán)上含有烷烴取代基時可降低自燃點，取代基碳鏈越長，自燃點越低。

表1 不同結構烴類的十六烷值

表2 自燃點與分子結構的關系

上述結果說明十六烷值與自燃點有一定的關聯(lián)性，如圖1所示。十六烷值越高，自燃點越低。在風量調節(jié)法測定柴油十六烷值的研究中發(fā)現(xiàn)，燃料的起始燃燒溫度可以通過風量調節(jié)來控制。在氣缸壓縮比固定的條件下，加大進入氣缸的空氣量(即增加風量)，到達壓縮終了時的壓縮溫度升高，可以使高自燃點(低十六烷值)的燃料燃燒；而減少進入氣缸的空氣量(即減小風量)，到達壓縮終了時的壓縮溫度降低，可以使低自燃點(高十六烷值)的燃料燃燒。

圖1 十六烷值與自燃點的關系

2.2 方法原理

風量調節(jié)法采用固定“著火滯后期”(燃料噴射開始和燃燒開始之間的時間間隔)法測定柴油十六烷值。氣缸容積為固定值，燃燒室體積和工作體積都為恒定值，壓縮比固定在21，通過控制進入氣缸的空氣量，即風量(以風量表讀數(shù)表示)，來調節(jié)壓縮沖程終了時燃燒室內的壓力和溫度。將試樣的著火性質與已知十六烷值的參比燃料的著火性質相比較，選擇十六烷值差值不大于5個單位的兩種參比燃料，以相同方法獲得精確的著火滯后期，當試樣的風量處于兩種參比燃料風量之間時，用內插法 [式(1)] 計算出試樣的十六烷值。風量越大，壓縮沖程終了時燃燒室內的壓力和溫度越高，所測定柴油的十六烷值越低；反之，風量越小，壓縮沖程終了時燃燒室內的壓力和溫度越低，所測定柴油樣品的十六烷值越高。

CN =L+(H-L)(ai-aL)(aH-aL)

(1)

式中：CN 為試樣的十六烷值；H為高參比燃料的十六烷值；L為低參比燃料的十六烷值；aH為高參比燃料的風量表讀數(shù)；aL為低參比燃料的風量表讀數(shù)；ai為試樣的風量表讀數(shù)。

3 結果與討論

3.1 風量與十六烷值的關系

利用FCD-Ⅱ柴油十六烷值測定機，采用風量調節(jié)法測定不同調合樣品的十六烷值，風量與十六烷值的關系見圖2。由圖2可以看出，隨著樣品十六烷值的增加，風量表讀數(shù)降低，即進入發(fā)動機氣缸的空氣量減少。由圖2中曲線形狀可知，風量與十六烷值呈非線性關系。因此，本方法中選擇兩個十六烷值差值不超過5個單位的樣品作為參比燃料，試驗樣品的十六烷值在兩者之間，它們的風量表讀數(shù)也有同樣的關系，在有限范圍內把曲線近似成直線來進行內插計算，既簡化了計算過程，又具有一定的合理性。

圖2 風量與十六烷值的關系

3.2 風量調節(jié)法測定十六烷值的試驗驗證

3.2.1 檢驗燃料的驗證 采用風量調節(jié)法對十六烷值分別為42和53的兩種進口檢驗燃料(J1、J2)分別測定9次，結果見表3。由表3可以看出，風量調節(jié)法測得兩種檢驗燃料的十六烷值平均值分別為41.9和53.2，與實際值的絕對偏差分別只有0.1和-0.2個單位，說明該方法測定十六烷值具有很好的準確性。

表3 檢驗燃料驗證結果

3.2.2 重復性試驗 采用8個不同十六烷值的柴油樣品(A～H)，考察風量調節(jié)法測定十六烷值的重復性。每個樣品分別進行9次測量，試驗結果見表4。由表4可以看出，風量調節(jié)法測定8個樣品十六烷值的極差為0.6～1.5，相對標準偏差最大值只有1.69%，說明該方法的重復性良好。

表4 重復性考察試驗結果

3.2.3 風量調節(jié)法與壓縮比法的測量結果比較8個不同柴油樣品的風量調節(jié)法與壓縮比法十六烷值測定結果對比見表5。從表5可以看出，對相同柴油樣品，采用風量調節(jié)法與壓縮比法測定十六烷值的結果基本吻合，最大偏差小于2.0個單位。根據GBT 386精密度要求，在十六烷值為40～56范圍內，用內插法計算再現(xiàn)性誤差指標，分別得到C，D，E樣品的再現(xiàn)性誤差指標為2.8，3.8，4.8。因此風量調節(jié)法與壓縮比法測定結果的偏差小于再現(xiàn)性誤差指標，說明兩種方法的測量結果具有很好的一致性。

表5 風量調節(jié)法與壓縮比法十六烷值測定結果對比

4 結 論

(1)通過風量調節(jié)法可以測定十六烷值。隨燃料十六烷值增大，風量降低。風量與十六烷值呈非線性關系，采用兩個十六烷值差值不超過5個單位的參比燃料，利用內插方法可簡便、準確地計算十六烷值。

(2)風量調節(jié)法測定燃料十六烷值具有很高的準確性和重復性，與傳統(tǒng)壓縮比法有很好的一致性。風量調節(jié)法具有油品適用范圍廣、十六烷值測定范圍寬、穩(wěn)定性好、節(jié)省標準燃料和試樣，操作簡單的優(yōu)點，可以作為燃料十六烷值測定的標準方法。

[1] 國家質量監(jiān)督檢驗檢疫總局，國家標準化管理委員會.GBT 11139 餾分燃料十六烷指數(shù)計算法[M]石油和石油產品試驗方法國家標準匯編(中).北京：中國標準出版社，2016：573-576

[2] 國家質量監(jiān)督檢驗檢疫總局，國家標準化管理委員會.SHT 0694 中間餾分油燃料十六烷指數(shù)計算法 四變量公式法[M]石油和石油產品試驗方法行業(yè)標準匯編(第三分冊).北京：中國標準出版社，2010：30-34

[3] ASTM D6890，Standard Test Method for Determination of Ignition Delay and Derived Cetane Number(DCN)of Diesel Fuel Oils by Combustion in a Constant Volume[S]

[4] 國家質量監(jiān)督檢驗檢疫總局，國家標準化管理委員會.GBT 386柴油十六烷值測定法 [M]石油和石油產品試驗方法國家標準匯編(上).北京：中國標準出版社，2016：121-155

[5] 任連嶺，張越鵬，張慶東，等.柴油發(fā)火性評價方法及其相關性研究[J].石油商技，2010，28(3)：78-81

[6] 李虎.十六烷值關聯(lián)方法綜述[J].煉油與化工，2012，23(6)：4-7

[7] 國家質量監(jiān)督檢驗檢疫總局，國家標準化管理委員會.GBT 33298—2016 柴油十六烷值的測定 風量調節(jié)法[M].北京：中國標準出版社，2016

[8] 張會成，付偉，郭亞平，等.風量調節(jié)法測定柴油十六烷值的燃燒模擬研究[J].石油煉制與化工，2017，48(7)：17-21

[9] 陳波水，嚴正澤，朱鐘敏，等.柴油自燃點與十六烷值對應關系[J].石油煉制，1990，21(5)：50-53

DETERMINATION OF DIESEL CETANE NUMBER BY AIR FLOW CONTROL

Zhang Huicheng1， Fu Wei2， Guo Yaping1， Ling Fengxiang1， Gao Bo1， Cheng Zhongqian1

(1.SINOPECFushunResearchInstituteofPetroleumandPetrochemicals，F(xiàn)ushun，Liaoning113001； 2.SINOPECDepartmentofScienceandTechnology)

Method for cetane number determination was studied by air flow control with FCD-Ⅱ cetane number tester.The principle for air flow control was introduced.The relations between air flow and cetane number were tested，the repeatability of the method was investigated for 8 samples having different cetane number were conducted，and the results were compared with that by compression ratio.The results show that the air flow has a nonlinear relationship with the cetane value.The cetane number can be calculated by interpolation method.Repeatability bias of cetane numbers measured is less than 1.0 in the range of 25 to 75，which is in good agreement with the compression ratio method.

cetane number； air flow control； compression ratio； diesel

2017-01-10； 修改稿收到日期： 2017-04-15。

張會成，博士，教授級高級工程師，研究方向為石油產品檢測技術及分子結構表征，公開發(fā)表論文50余篇，申請專利20余項，獲得中國石化科技進步二等獎1次、三等獎1次。

張會成，E-mail：zhanghuicheng.fshy@sinopec.com。

中國石油化工股份有限公司合同項目(713027)。