研究法辛烷值的測定及不確定度評估

秦玉清+劉實+朱志慶+葉麗紅

摘要用美國WAUKESHA的CFR公司生產(chǎn)的模擬型辛烷值機測定了汽油的辛烷值，并對測定過程的不確定度進行了評估，將測量重復(fù)性、點火角度、進氣溫度、大氣壓力及被測燃料的燃空比作為不確定度的考察對象，旨在通過不確定度的計算，確認(rèn)對研究法辛烷值檢測結(jié)果的主要影響因素。

關(guān)鍵詞測量不確定度；研究法辛烷值；合成不確定度；擴展不確定度

辛烷值是表示汽油抗爆性能好壞的一項重要指標(biāo)，是車用汽油各種產(chǎn)品參數(shù)的關(guān)鍵項目。更高的辛烷值代表汽油具有更好的抗爆性，可以用在具有更高壓縮比的發(fā)動機中，從而帶來更高的發(fā)動機功率，提高燃料的經(jīng)濟性。國同諸多學(xué)者及相關(guān)工作人員也已經(jīng)對辛烷值的工作原理及操作、維護各多個方面進行了較深入的研究，以何天亮為代表的工作者也對研究法辛烷值測定的不確定度進行了研究，但他在進行B類不確定度分量進行考量時，沒有將試驗機的具體參數(shù)進行分解，而是將試驗機的不確定度作為一個綜合分量參與了不確定度的合成。新的研究法辛烷值測定國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 5487-2015《汽油辛烷值測定法（研究法）》于2016年6月1日正式實施，對于研究法辛烷值測定的各項要求更加具體。作者利用滿足GB/T 5487-2015要求的美國WAUKESHA的CFR公司生產(chǎn)的模擬型研究法辛烷值試驗機，測定了汽油燃料的研究法辛烷值，對將試驗機的主要參數(shù)作為不確定度分量參與計算對測量不確定度進行了分析和考察，對影響測定的各項因素進行了深入研究。

1實驗部分

1.1實驗儀器及樣品

實驗使用位于美國威斯康星州WAUKESHA地區(qū)的CFR公司生產(chǎn)的模擬型辛烷值試驗機，由可變壓縮比的單缸CFR發(fā)動機、曲軸箱、熱力虹吸再循環(huán)夾套冷卻系統(tǒng)、通過9/16英寸文氏管輸送燃料的帶選擇閥的多燃料罐系統(tǒng)、進氣系統(tǒng)等多部分組成，發(fā)動機轉(zhuǎn)數(shù)為602r/min，標(biāo)準(zhǔn)工況下的進排氣門間隙均為0.008±0.001英寸。

試驗用燃料為從CFR公司采購的甲苯標(biāo)準(zhǔn)燃料和正庚烷標(biāo)準(zhǔn)燃料按照標(biāo)準(zhǔn)配制而成，甲苯：正庚烷的體積配比為74：26，按照GB/T 5487-2015的要求，該標(biāo)準(zhǔn)燃料的標(biāo)準(zhǔn)辛烷值為93.4辛烷值單位，允差為±0.3辛烷值單位。在辛烷值機的標(biāo)準(zhǔn)工況下，采用GB/T5487-2015中的c法——壓縮比法測定汽油的研究法辛烷值。

1.2實驗步驟

1）將試驗機總電源打開，預(yù)熱儀器約1h，待潤滑油溫度達到57±8℃（135±15F）后，向各潤滑點加潤滑油。2）盤車2～3圈，向燃料杯中加入預(yù)熱用汽油后打開試驗機電源，待潤滑油壓力達到25～30Psi區(qū)間后，松開手，讓電機拖動試驗機轉(zhuǎn)約1分鐘，打開點火、加熱等開關(guān)，再轉(zhuǎn)動燃料杯閥向試驗機供預(yù)熱用汽油，將計數(shù)器調(diào)低至試驗機不爆震。3）查看大氣壓力，按照GB/T 5487-2015的要求調(diào)整計數(shù)器補償值和進氣溫度值。4）將標(biāo)準(zhǔn)油和待測汽油加入不同的燃料杯，待進氣溫度、冷卻水溫度均達到設(shè)定值，試驗機達到標(biāo)準(zhǔn)工況后向試驗機供標(biāo)準(zhǔn)油，調(diào)節(jié)液位計中的液位高度和放大器，使標(biāo)準(zhǔn)油達到標(biāo)準(zhǔn)爆震強度。5）測定待測汽油在標(biāo)準(zhǔn)爆震強度下的計數(shù)器讀數(shù)，查操作表得到待測汽油的研究法辛烷值。

2不確定度來源的確定和模型分析

2.1測量重復(fù)性

在研究法辛烷值的測定過程中，由于分析儀溫度控制系統(tǒng)的限制，進氣溫度會存在一定的波動；樣品的氣化、樣品的均勻程度以及試驗機的轉(zhuǎn)速波動也會對測定有一定的影響。可以通過重復(fù)測定，用統(tǒng)計方法確定這些影響因素的不確定度分量，見圖1。

2.2點火角度

點火角度是影響測定結(jié)果的一個重要因素，會引起個辛烷值的明顯測定誤差。按照矩形分布進行計算，取±0.2辛烷值單位作為計算半?yún)^(qū)間。

2.3進氣溫度

試驗機用的溫度計為英制單位，精度為1F，故用0.5F作為不確定度計算半?yún)^(qū)間，按照矩形分布計算。

2.4大氣壓力

大氣壓力表的最小分度為0.1kPa，故用0.05kPa，作為不確定度計算半?yún)^(qū)間，也采用矩形分布計算。

2.5被測燃料液位高度

得不到最佳燃空比會有±0.1個辛烷值的誤差，通過調(diào)節(jié)燃料液面調(diào)試的方式來實現(xiàn)不同燃空比的調(diào)整，同樣按照矩形分布進行計算。

3各不確定度分量的定量

3.1A類不確定度的評估

對觀測列進行統(tǒng)計分析所作的評估：測量重復(fù)。在重復(fù)性條件下，對同一甲苯標(biāo)準(zhǔn)燃料從取樣開始獨立重復(fù)測量6次，測量結(jié)果見表1。

進氣溫度波動、樣品的氣化、樣品的均勻程度以及試驗機的轉(zhuǎn)速波動4個不確定度分量都是影響A類不確定度的因素，均符合正態(tài)分布，可以通過反復(fù)測定予以消除，計算中將此4個不確定度分量歸為重復(fù)性來考察，而不再單獨考慮各自的影響情況。

在規(guī)范化常規(guī)測量時只是由一次測量就直接給出測量結(jié)果，假設(shè)某次的測量結(jié)果為93.35，則該測量結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)不確定度Urep就是實驗標(biāo)準(zhǔn)差S（X）=0.055、相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度為0.0006。

3.2 B類評估

當(dāng)輸入量的估計量不是由重復(fù)觀測得到時，其標(biāo)準(zhǔn)偏差可用對估計量的有關(guān)信息或資料來評估。

1）點火角度。點火角度偏離0.5度就會引起±0.1個辛烷值的誤差（根據(jù)中國石化青島煉化公司檢驗中心檢測數(shù)據(jù)）。標(biāo)準(zhǔn)不確定度為其相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度為

2）進氣溫度。進氣溫度升高或降0.5度會有±0.05個辛烷值的誤差（根據(jù)中國石化青島煉化公司檢驗中心檢測數(shù)據(jù)）。標(biāo)準(zhǔn)不確定度為

3）大氣壓力。大氣壓力表讀數(shù)的影響很小，幾乎是沒有影響，因此按照相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度0.00001考慮，因其值太小，故不參與計算中。

4）燃料液位高度。得不到最佳燃?xì)獗葧小?.1個辛烷值的誤差（根據(jù)中國石化青島煉化公司檢驗中心檢測數(shù)據(jù)）。按照矩形分布進行計算。即其相對不確定度為

4合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度

參照各不確定度分量直方圖，小于合成相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度三分之一的分量不參與計算，可以將不確定度合成公式簡化如下：

表2列出了各不確定度分量，圖3為各不確定度分量的直方圖。

5擴展不確定度的計算

擴展不確定度考慮95%的置信水平，此時包含因子約等于2，將合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度乘以包含因子得到擴展不確定度U（RON）。

6結(jié)論

在本次參與測量不確定度評定的5個主要操作參數(shù)中，大氣壓力表計數(shù)的影響是最小的，幾乎在最終合成不確定度時可以忽略不計。在考察的B類不確定度分量中，通過燃料液位高度來改變的燃空比和試驗機點火角度帶來的不確定度分量在總的不確定度中占比較高，同時由測定重復(fù)性引入的A類不確定度也有較大影響，這3項是組成不確定度的主要分量。B類不確定度分量中的進氣溫度對于不確定度的貢獻相對要小一些。

由美國CFR公司生產(chǎn)的辛烷值試驗機為標(biāo)準(zhǔn)的可變壓縮比四沖程發(fā)動機，試驗機結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，在測定辛烷值過程能夠引入的不確定度分量也非常復(fù)雜，本文無法逐一考察每種影響因素，只是針對幾個有代表性的重要參數(shù)進行了考察評定，可能不夠全面也不夠完整，對于辛烷值試驗機而言，其測量不確定度的評定需要廣大工作人員持續(xù)挖掘和交流。