十六烷值测定的不确定性分析与评价

李凤伟

（中石化洛阳工程有限公司，河南 洛阳 471003）

十六烷值测定的不确定性分析与评价

李凤伟

（中石化洛阳工程有限公司，河南 洛阳 471003）

用十六烷值认可参考值为52.99的高值检验燃料作为试样，按照GB/T 386-2010方法要求进行测试，对美国Waukesha公司生产的十六烷值试验机ASTM-CFR F5和法国Normalbab公司生产的自动十六烷值标准/辛烷值参比燃料混合器NABLEND8877在人员实验操作过程中产生的不确定度来源进行分析。通过对各个不确定度分量进行量化与合成，计算出了合成不确定度和扩展不确定度。

不确定度；十六烷值；标准燃料；手轮读数

不确定度是建立在误差理论基础上的一个新概念，它表示由于测量误差的存在而对被测量值不能肯定的程度，是定量说明测量结果质量的一个参数。从测量不确定度的词义上理解，意味着测量结果可信性、有效性的怀疑程度或不肯定程度［1］。

其产生原因主要是测量的不完善和人们认识的不足。测量不确定度的评定与表示主要是从计量学的角度，结合测量结果形成的整个过程，通过各分量的不确定度计算出来［2］。在测量不确定度评估中可通过所用仪器、量具校准的标准不确定度，其示值误差，以及环境温度变化的不确定度来评估测量结果的分散性。也可以利用以前积累的统计数据或方法的重复性限等参数来评估测量结果的分散性。

十六烷值是评价柴油性能的重要指标，其测量结果直接关系到柴油产品是否合格，因此，对十六烷值测量结果的可信与可靠程度进行分析和评定十分重要。十六烷值试验机ASTM-CFR F5能有效实现模拟发动机对柴油着火性能的测试，NABLEND8877自动十六烷值标准燃料混合器是配制标准燃料的仪器，仪器设备和人员操作中会产生相应的不确定度。本文对认可参考值为52.99的高值检验燃料进行测试，利用因果图分析了不确定度来源，并对不确定度各个分量进行了评定［3-4］。

1　实验部分

1.1仪器与测量条件

ASTM-CFR试验机

发动机的转速：900±9r/min。

喷油提前角：固定在上止点前13°。

喷油器开启压力：10.30±0.34MPa。

喷油量：13.0±0.2mL/min，对每个试样和标准燃料都要测量。

喷油传感器间隙：发动机处于停机状态时，一般将间隙调整为1mm（0.04in）。

油器冷却温度：38±3℃（100±5℉）。

气门间隙：0.20±0.02mm，热机下测量。

润滑油压力：在标准操作条件下为0.17-0.20MPa（25-30Psi）。

润滑油温度：57±8.5℃（135±15℉）。

冷却液温度：100±2℃（212±3℉），在试验期间要恒定在±0.5℃（±1℉）的范围内。

吸入空气温度：66±0.5℃（150±1℉）。

1.2试剂

气缸夹套冷却剂：水作为冷却剂，应符合GB/T 6682中三级水的要求。

图1　十六烷值测定流程图

发动机曲轴箱润滑油：应使用SF/CD或SG/CD的SAE30黏度等级的润滑油。在100℃时，其黏度为9.3mm2/s～12.5mm2/s，黏度指数不小于85。不能使用加有黏度指数改进剂的润滑油，也不能使用多级润滑油。

正标准燃料：纯度≥99.0%（色谱法测定），十六烷值为100。

七甲基壬烷：纯度≥98.0%（色谱法测定），十六烷值为15。

副标准燃料：T燃料（典型CNARV为73～75），U燃料（典型CNARV为20～22）。

检验燃料：低十六烷值检验燃料（典型CNARV为38～42），高十六烷值检验燃料（典型CNARV为50～55）。

1号副标准燃料（T燃料和U燃料）混合物，2号副标准燃料（T燃料和U燃料）混合物，高值检验燃料（一种用于控制试验质量的、性质经过选择的、专门用来检查十六烷值机和评价柴油十六烷值测定准确性的柴油）。

1.3取样

试样选取十六烷值认可参考值为52.99的高值燃料进行测量，最大允许误差在±1.02以内。

按照GB/T 4756的规定取样。取样和储存样品均应使用不透明容器，如深棕色玻璃瓶、金属罐或反应活性较小的塑料容器，以尽量较少暴露在阳光和紫外线下。

在发动机试验之前，试样应达到室温，典型室温为18～32℃，试样可用定性滤纸过滤。

1.4十六烷值的测定方法

柴油的十六烷值是在标准操作条件下，在实验发动机中，将其着火性质与两个已知十六烷值的（十六烷值相差不大于5个单位，能将样品包括在中间）标准燃料混合物比较来测定，测定采用内插法的手轮法：对样品和两标准燃料中的每一个均改变发动机的压缩比（手轮读数），以得到特定的着火滞后期（喷油器开始喷油和燃烧之间的时间间隔，以曲轴转角度数表示），然后根据手轮读数用内插法计算十六烷值。实验步骤如图1所示：

十六烷值计算公式：

CN——柴油试样的十六烷值；

CN1——低着火性质标准燃料的十六烷值，注：本次试验用CN1=50.1

CN2——高着火性质标准燃料的十六烷值，注：本次试验用CN2=55.1

a——样品两次测定手轮读数的算术平均值；

a1——低十六烷值标准燃料两次测定手轮读数的算术平均值；

a2——高十六烷值标准燃料两次测定手轮读数的算术平均值。

2　结果与讨论

2.1不确定度的来源分析

有关的各不确定度来源如图2所示。

因为标准燃料和检验燃料是在短时间内测定，转速，温度，压力对于三者的影响相同，引起的不确定度可忽略。而称量过程的重复性和手轮的重复性试验对结果的影响都会在测量结果的重复性中表现出来，因此，得到简化的不确定度来源因果图如图2所示。

从简化图中可以看出各个不确定度分量：标准燃料的称量产生的不确定度主要是天平的校准引入的，手轮读数产生的不确定度主要来自于手轮读数分辨率引入，重复性产生的不确定度主要来自称重和手轮读数。

2.2不确定度分量的评定

不确定度可以分为A、B两大类。A类不确定度主要是指可以用方法计算出的不确定度，表现为重复性。B类不确定度包括：手轮读数产生的不确定度，主要是分辨率产生的不确定度；配置标准燃料带来的标准不确定度，主要是天平校准和标准物质校准产生的不确定度。

2.2.1A类评定

重复性引起的不确定度

在测试条件下进行重复性实验，对同一样品进行了6次测试，测定结果及不确定度评定结果见表1。

图2　各不确定度来源示意图

图3　简化合并后的不确定度来源

2.2.2B类评定

试验中手轮分辨率引起的十六烷值的标准不确定度

在测试两种标准燃料时，手轮读数平均差值为32个刻度，每刻度所影响的十六烷值：（55.1-50.1）÷32=0.16

分辨率引起的读数误差±0.5刻度，由手轮分辨率产生的十六烷值的不确定度服从均匀分布，又因每次试验的手轮读数是两次手轮读数的平均值，样品两次测定手轮读数由分辨率产生的十六烷值不确定度

表2　测试过程手轮读数及计算结果

同理，低十六烷值标准燃料两次测定手轮读数由分辨率产生的十六烷值不确定度：

高十六烷值标准燃料两次测定手轮读数由分辨率产生的十六烷值-不确定度：

配制标准燃料时天平校准和标准燃料的校准引起的不确定度

（1）配制标准燃料1引起的不确定度

配制标准燃料要用两种燃料：T燃料（高十六烷值CNT=76.0，ρT=0.7902g/cm3）和U燃料（低十六烷值CNU= 19.4，ρU=0.7794g/cm3）

1）天平校准

天平检定证书显示：10mg-5kg：d=0.1g；e=10d；Max= 2100g。0g-2000g称量误差为0～0.2e，最大允许误差为±2e，标准不确定度服从均匀分布0.2÷3=0.12g。由于称量要经两次独立称量（瓶重和总重），所以天平校准不确定度，不论是称量T燃料和U燃料都是同一台天平，所以称量T燃料的不确定度umT和称量U燃料的不确定度umU相等，即umT=umU=0.17g。

标准燃料校准引起的标准不确定度，由于十六烷值以它为标准赋值，可忽略不确定度。

2）配制过程引起的不确定度

要配制500ml十六烷值为CN1=50.1的标准燃料1，需用十六烷值为75.2的T燃料275.12g和十六烷值为19.4U燃料224.92g，即：

（2）同上，配制CN2=55.1标准燃料2，引起的不确定度

表3　十六烷值测定各不确定度分量的汇总表

由表3中各个不确定度分量的比较可看出，十六烷值测定的不确定度的主要来源是测量的过程中重复性产生的不确定度分量，配置标准燃料和手轮分辨率产生的不确定度相对较小。

（3）合成不确定度和扩展不确定度

把相应的数值代入上式（3）中，得出合成不确定度ue=0.40

在95%置信度水平下，取包含因子k=2

则十六烷值扩展不确定度：U=kP×ue=2×0.40=0.80

3　结论

本文按照测量不确定度评定的指导原则，根据实验方法建立数学模型，确定柴油十六烷值测定过程中的不确定度来源有：标准燃料配制过程产生的不确定度、手轮分辨率产生的不确定度、测试过程中重复性引起的不确定度。通过对实验过程中的各个不确定度分量逐一进行分析与计算，得出结论如下：实验方法不确定度的主要分量为试验过程中重复性产生的不确定度，用十六烷值认可参考值52.99±1.02的高值检验燃料检测，其测量结果的合成不确定度为0.40。在95%置信度水平下，取扩展因子k=2，则柴油十六烷值测定的扩展不确定度为U=0.80，按标准GB/T 386-2010，6次重复测定认可参考值52.99的高值检验燃料十六烷值为CN=53.12±0.80。可见测量值CN=53.12±0.80在高值检验燃料认可参考值52.99±1.02允许误差范围内。本文对影响检测结果的各个不确定度分量进行分析和计算，为该柴油十六烷值测定方法的优化和测量结果的评定提供了科学依据，对其他实验室测定柴油十六烷值的不确定度评价均具有很好的借鉴和参考作用。

［1］中国合格评定国家认可委员会.石油石化领域理化检测测量不确定度评估指南及实例［M］.北京：中国计量出版社，2010.

［2］国家质量监督检验检疫总局质量管理司.质量专业综合知识［M］.北京：中国人事出版社出版，2010.

［3］ASTM D613-05，柴油燃油十六烷值标准试验方法［S］.

［4］GB/T 386-2010，柴油十六烷值测定法［S］.

Analysis and Evaluation for the Uncertainty of Cetane Number

Li Fengwei
（Luoyang Petrochemical Engineering Corporation，Sinopec，Luoyang Henan 471003）

Uncertainty souce of auto cetane Standard/octane reference fuel mixer NABLEND8877of ASTM-CFR F5 testing machine and French NABLEND8877 produced by American Waukesha Company during the experimen⁃tal operationprocess was analyzed，according to the test of GB/T386-2010，with a high value cetane of52.99 as the test sample.Each uncertainty component was quantized and synthesized，and the synthetic uncertainty and the expanded uncertainty were calculated.

Uncertainty；Cetane number；Standard fuel；Handwheel reading

TQ426.91

A

1003-5168（2015）05-0109-4

2015-4-21

李凤伟（1971.10-），男，本科，工程师，研究方向：汽柴油燃烧性能研究。