基于冪指數(shù)法預測柴油十六烷值

王家興，張會成，凌鳳香

(中國石化大連石油化工研究院，遼寧 大連 116045)

1 引 言

十六烷值用來評定柴油的著火性能,其值越高，則柴油的自燃性能越好，點燃延遲期越短；其值過低，點燃延遲期就會變長。目前十六烷值采用發(fā)動機臺架試驗法進行評定[1～3]，廣泛采用的是美國Waukesha的十六烷值機。由中國石化撫順石油化工研究院研發(fā)的FCD-Ⅱ型風量調(diào)節(jié)法十六烷值機也被廣泛用于柴油十六烷值的檢測[4]，各大科研院所或質(zhì)檢機構(gòu)將其用于日?？刂品治?。這兩種儀器都是基于內(nèi)插法進行十六烷值的測試，操作人員需要利用副標準燃料T26和U19混合配制兩種標準樣品，且要求兩種標準樣品十六烷值之差不大于5.0[5]，同時要確保試驗樣品的十六烷值在兩種標準燃料的十六烷值之間。這種方式有兩個不足，第一是標準燃料的成本很高，試樣數(shù)量多時，消耗量大；第二是標準樣品配制對操作者要求高，步驟較為繁瑣。

近年來隨著儀器制造水平的提高，分析儀器自動化程度不斷提高，減少操作復雜性，使操作人員易于試驗已經(jīng)成為一種儀器開發(fā)的趨勢。在操作難易程度方面，F(xiàn)CD-Ⅱ型風量調(diào)節(jié)法十六烷值機具有明顯優(yōu)勢，它將一些功能進行了整合，操作面板具有更強的可讀性和易于操作性。設計方式和操作過程更符合我國操作人員的習慣，開發(fā)非常具有針對性[4]。

基于風量調(diào)節(jié)法柴油十六烷值測定機提出了一種十六烷值預測方法，目的是通過這種預測能夠快速地測定柴油十六烷值[6～8]；同時，能夠減少標準燃料的消耗，即減少副標T26和U19的使用量，節(jié)省臺架試驗成本，尤其對控制分析或科研試驗具有重要意義。

2 儀器工作原理及結(jié)構(gòu)

FCD-Ⅱ型風量調(diào)節(jié)法十六烷值機是采用固定著火滯后期法測定柴油十六烷值。該方法在標準操作條件下，將試樣的著火性質(zhì)與已知十六烷值的標準燃料著火性質(zhì)相比較來測定。

具體方法是改變?nèi)剂先紵龝r所需的進氣量，以此來獲得準確的著火滯后期，即燃料噴射開始和燃燒開始之間的時間間隔。不同的燃料燃燒時所需進氣量不同。根據(jù)試樣風量讀數(shù)，選擇十六烷值差值不大于5個單位的兩種標準燃料，以得到固定的著火滯后期。當試樣的風量讀數(shù)處于兩種標準燃料的風量讀數(shù)之間時，用內(nèi)插法計算試樣的十六烷值。

風量調(diào)節(jié)法十六烷值機結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 風量調(diào)節(jié)法十六烷值機結(jié)構(gòu)框圖

3 預測方法的選擇

通過大量試驗數(shù)據(jù)，結(jié)果表明柴油十六烷值與風量讀數(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；當十六烷值低于50時，或在檢測下限35到50范圍內(nèi)，線性度很差；在典型測試范圍35～65內(nèi)不具備線性關(guān)系。對風量讀數(shù)與柴油十六烷值相關(guān)性進行擬合，所擬合曲線用冪函數(shù)表達更為適宜。冪函數(shù)的特點是自變量較小且在小區(qū)間變化時，因變量變化速率更快，如圖2所示。選擇冪函數(shù)曲線來近似風量讀數(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 十六烷值與風量讀數(shù)的冪曲線趨勢圖

4 十六烷值計算模型的建立

4.1 普通柴油的預測模型

分別對多個不同編號、不同十六烷值的柴油樣品進行測定，得到臺架試驗結(jié)果和風量讀數(shù)如表1所示。

表1 普通柴油十六烷值與風量讀數(shù)

根據(jù)表1，柴油十六烷值與風量讀數(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 生物柴油的預測模型

對樣品編號為S1～S10的生物柴油樣品進行了試驗，試驗結(jié)果與風量讀數(shù)見表2。

圖3 生物柴油十六烷值預測模型的擬合曲線

表2 生物柴油十六烷值與風量讀數(shù)

根據(jù)表2生物柴油試驗結(jié)果，生物柴油十六烷值與風量讀數(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測模型的擬合曲線

5 不同種類柴油的誤差預測

5.1 普通柴油樣品的誤差預測

為了比較臺架試驗的實測值與冪指數(shù)計算值，對編號為11～15的普通柴油樣品進行預測，根據(jù)著火固定期法，調(diào)整至標準操作條件，讀出以上5個樣品的風量讀數(shù)，根據(jù)擬合曲線預測出各個樣品十六烷值。預測結(jié)果和臺架試驗的對比結(jié)果如表3所示。

表3 冪指數(shù)計算結(jié)果與臺架試驗結(jié)果比對

十六烷值與臺架試驗結(jié)果比對表明，普通柴油十六烷值計算值與實際測量值最大誤差值為0.6。根據(jù)GB/T 386—2010及GB/T 33298—2016有關(guān)重復性和再現(xiàn)性內(nèi)容，并與其重復性進行比較，重復性最小不超過0.8。預測誤差完全可以滿足重復性要求。可以看出通過冪指數(shù)計算法得到的十六烷值與實測值較為接近，具有重要參考價值，在控制分析及科學研究試驗過程中，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測

為了更全面地考察擬合曲線預測的準確性和適用性，又對一組生物柴油樣品進行了臺架試驗和預測值的比對，結(jié)果見表4。

表4 BD1～BD5生物柴油樣品比對結(jié)果

由表4可知，BD1～BD5生物柴油樣品的預測最大誤差為0.5個十六烷值。預測最大誤差小于GB/T 33298—2016方法中規(guī)定的重復性最小值。

6 柴油十六烷值預測模型的校正

為了進一步提高冪指數(shù)曲線擬合的精度，對已有的預測模型進行校正，采用標準樣品的臺架試驗結(jié)果來校正擬合冪指數(shù)曲線。由于標準樣品的性質(zhì)更為穩(wěn)定，標準樣品的十六烷值為已知，通過對其十六烷值進行預測，再通過計算得到標準樣品的十六烷值與其十六烷值預測值的比值。十六烷值機的性能保持不變，可以認為測試得到的柴油試樣的十六烷值與柴油試樣的十六烷值預測值的比值等于上述標準樣品的比值。通過計算標準樣品的十六烷值與其預測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測值；CN2為標準樣品的十六烷值；CN22為標準樣品的十六烷值預測值。

選取編號為JZ-1柴油試樣，對其進行臺架試驗，得到風量讀數(shù)為752，帶入擬合曲線得到其預測值為43.2；對十六烷值為45的標準樣品進行試驗，得到風量讀數(shù)687，帶入擬合曲線得到其預測值為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兩個標準樣品的十六烷值內(nèi)插計算得到，而是通過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測十六烷值。通過標準樣品的校正，得到十六烷值水平在45時的校正系數(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測模型，并根據(jù)標準樣品十六烷值與十六烷值預測值的比值給出柴油試樣十六烷值預測值的校正過程，并給出了校正系數(shù)k。通過研究冪指數(shù)預測方法得到如下結(jié)論：

(1)普通柴油樣品十六烷值的預測誤差最大為0.6個單位，生物柴油樣品的十六烷值預測誤差最大為0.5個單位；

(2)臺架試驗按照GB/T 386—2010標準消耗標準樣品量為300 mL，冪指數(shù)法可節(jié)約標準樣品的使用，首次使用標準樣品校正預測曲線后，后續(xù)臺架試驗不需要標準樣品就可以得到結(jié)果；

(3)冪指數(shù)預測模型為十六烷值測量實現(xiàn)自動化檢測提供了條件。