柴油十六烷值测定压缩比法技术应用

王海青，张会成

（1．中国石化九江分公司，江西 九江 332004；2．中石化（大连）石油化工研究院有限公司）

GB／T 33298—2016《柴油十六烷值的测定 风量调节法》[1]与GB／T 386—2010《柴油十六烷值测定法》[2]测定柴油十六烷值时均采用内插法，即选用两个十六烷值相差不大于5且能够覆盖试样十六烷值范围的标准燃料，测量其气量或气缸压缩量，通过计算得到试样的十六烷值。

在工作实践中，中国石化九江分公司（简称九江分公司）检验计量中心探索出一种新的柴油十六烷值检测方法——FCD-压缩比法[3]，此方法为柴油十六烷值检测技术自动化、装置生产在线分析仪表化提供了技术理论支持。以下针对柴油十六烷值测定的FCD-压缩比法进行阐述及探讨。

1 实 验

1．1 仪器与试剂

FCD-Ⅱ型柴油十六烷值测定机，中石化（大连）石油化工研究院有限公司／上海沪顺石化装备有限公司产品；CFR-F5型十六烷值机，美国试验与材料协会／Waukesha公司产品；LD301-Ⅳ型辛烷值及十六烷值参比燃料混合配样机，上海沪顺石化装备有限公司产品。

副标准燃料：T-26（十六烷值75．2）；U-19（十六烷值19．4）。

1．2 压缩比测试方法

1．2．1 FCD-Ⅱ型柴油十六烷值测定机工作原理（内插法）

（1）FCD-Ⅱ型十六烷值机是采用固定着火滞后期法测定柴油十六烷值的。该方法的实质是在标准操作条件下，将试样的着火性质与已知十六烷值的标准燃料（正十六烷与七甲基壬烷按一定体积比组成的混合物）的着火性质相比较来测定的。其具体方法是改变燃料燃烧时所需的进气量，以此来获得确定的着火滞后（延迟）期，即燃料喷射开始和燃烧（发火）开始之间的时间间隔。无论是试样或是标准燃料，在燃烧过程中，这个时间间隔都要固定在20°（以发动机曲轴转角计），但不同的燃料在燃烧时所需的进气量不同，也就是压缩冲程终了时的温度和压力不同。

（2）根据试样的气量表读数选择十六烷值不大于5的两种标准燃料，以同样的方法得到确定的着火滞后期。当试样的气量表读数处于两种标准燃料的气量表读数之间时，用内插法算出试样的十六烷值。

（3）风量调整，一般进气量调整由大进气量向小进气量进行，气量测试完毕后，可以将进气量调大或不调整直接进行下一个试验。测试过程中，如果进气量由大进气量向小进气量调整过度，则由小进气量向大进气量反向调整，直至测出准确进气量。

（4）2020年12月7日九江分公司检验计量中心成功对FCD-Ⅱ型十六烷值机机组风量系统进行技术创新改造，本研究采用改造后的设备进行试样十六烷值检测。

1．2．2 FCD-压缩比法测试原理

（1）按照1．2．1节（1）测定试样风量。

（2）选择一种标准燃料，按照1．2．1节（1）测定标准燃料风量。

（3）查阅风量-十六烷值表，依据风量查出相对应的十六烷值（自动仪器可自带校准，直接显示测定样品的十六烷值）。

（4）十六烷值计算修正（自动仪器免计算修正）。

式中：CN为柴油试样的十六烷值；CN′为柴油试样的十六烷值测定值；CNs为标准燃料的十六烷值；CNs′为标准燃料的十六烷值测定值。

十六烷值修正的原理和目标：风量-十六烷值表是依据大气压等环境因素，测试系列十六烷值标油的风量建成的幂函数曲线，再形成表中数据。大气压的波动导致幂函数曲线整体漂移，通过分析一个十六烷值标油将整体漂移的幂函数曲线修正到与当下环境相适应的曲线状态。

1．2．3 CFR型柴油十六烷值测定机的工作原理[2]

CFR柴油十六烷值测试原理同1．2．1节（1），使用同一标准燃料，采用内插法计算试样的十六烷值。CFR十六烷值测试过程与1．2．1节（1）的区别在于，CFR测试方法是通过手轮转动改变气缸容积压缩比获得柴油着火滞后期，而FCD方法则是通过风量调整获得柴油着火滞后期。

用于十六烷值检测时，手轮只能顺时针转动以改变气缸容积压缩比获得柴油着火滞后期；若手轮顺时针转动过量，则检测失败，需要将手轮复位到原始状态，重新开始下一轮检测。

2 结果与讨论

2．1 风量-十六烷值表制作方式

系列副标准燃料（十六烷值分别为23．0，28．0，33．0，38．0，43．0，48．0，53．0，58．0，63．0，68．0，73．0）配制（采用参比燃料混合配样机）：将副标准燃料T-26和U-19加入到LD301-Ⅳ型辛烷值及十六烷值参比燃料混合配样机中，同时将T-26和U-19的副标准燃料密度录入配样机参数中，将要配制的上述系列副标准燃料目标十六烷值标准值和需要配制的体积输入配样机，启动配样程序。

采用1．2．1节方法测量系列副标准燃料的相应风量（F），建立系列副标准燃料十六烷值与相应风量的关系如表1所示。

表1 副标准燃料十六烷值与试样风量的关系

利用表1数据进行幂函数曲线拟合，得到模型拟合运算式。

由式（2）计算得到风量-十六烷值对应关系[3]，如表2所示。表2中，十六烷值整数在表两端列，十六烷值小数在表顶端，表中部为试样燃烧所需风量。例如，样品十六烷值测试时，样品燃烧所需风量为709，在表2中找到数值709，对应两端列十六烷值72．0，对应顶端行十六烷值0．2，样品十六烷值＝列＋行＝72．0＋0．2＝72．2。

表2 风量-十六烷值对应关系

表格的建立（表2）加速了柴油十六烷值检测进程，试样在风量检测出的第一时间或检测动态中直观反映出相应的试样十六烷值。十六烷值计算式（2）计算繁琐，以现今的人力操作及检测设备不利于现场检测。计算式（2）为后续的自动化分析提供了技术支持。

2．2 FCD-Ⅱ型柴油十六烷值测定机组改造后的稳定性

2020年12月7日九江分公司检验计量中心成功对FCD-Ⅱ型十六烷值测定机组风量系统进行技术创新改造，改造后的风量测定值更加稳定，提高了十六烷值测定结果的稳定性。试验分2组进行：第一组对十六烷值51．3的标样与Z401罐柴油样品交替测定十六烷值；第二组对十六烷值51．0的标样与焦化柴油及其他油样交替测定十六烷值。试验测定结果见表3。测定值CN′依据风量查表2得到，十六烷值CN为式（1）计算值。通过延长测试时间和间隔不同样品的方法测试试样十六烷值，检查同一试样在不同时间段测得风量的重现性。由测得风量通过表2查得对应的十六烷值，再通过式（1）换算为试样十六烷值。由表3可见：十六烷值51．3的标样经过3次测定，风量稳定在读数987，而Z401罐中的柴油风量测定稳定在读数1 015，十六烷值各自没有变化；十六烷值51．0标样的连续测定风量稳定在读数1 073～1 078，而焦化柴油风量测定在读数1 100。说明测定结果稳定性良好。

表3 十六烷值机组风量稳定性

整理表3数据，不同样品测得十六烷值的极差与对应十六烷值平均值的重复性[2]比较见表4。由表4可见，不同样品多次测试所得十六烷值间极差均小于相应重复性，FCD机组风量稳定性优良。风量的高稳定性为进一步缩小检测偏差、提高分析精度打下坚实的技术基础；同时，也为后续柴油十六烷值测试自动化提供了技术保障。

表4 风量重复性

2．3 FCD-压缩比法和CFR-ASTM法的差异性

采用FCD-压缩比法测定柴油十六烷值和CFR-ASTM法测定柴油十六烷值结果见表5，考察方法准确性及应用价值。

表5 FCD-压缩比法和CFR-ASTM法测试试样十六烷值结果

由表5可见，FCD-压缩比法和CFR-ASTM法测定柴油十六烷值的结果差异偏离均在重复性范围内，均满足中间精密度和再现性要求，由此判断两种测定方法无显著性差异。采用配对t检验方法[5]判断FCD-压缩比法和CFR-ASTM法是否存在显著性差异，给定显著性水平α＝0．05，查表[5]得t（0．05，11）＝1．80，t（0．05，45）＝1．68。由表5结果计算出t检验结果为0．113，小于1．68，说明两种方法测定结果是一致的，即用FCD-压缩比法测定柴油十六烷值代替CFR-ASTM法是可行的。

FCD-压缩比法和CFR-ASTM法测定柴油十六烷值具有差异性，CFR-ASTM法基于机械原因只能朝一个方向压缩；与CFR-ASTM法相比，FCD方法（含FCD-压缩比法、FCD-内插法）实现了风量调整双向自由化调整，因此有更大的灵活性。

2．4 FCD-压缩比法和传统FCD-内插法的差异性

表6为FCD-压缩比法和FCD内插法测试试样十六烷值结果。由表6可见，FCD-压缩比法和FCD-内插法测定柴油十六烷值结果差异偏离均在重复性范围内，均满足中间精密度和再现性要求，由此判断两种测定方法无显著性差异。

表6 FCD-压缩比法和FCD-内插法测试试样十六烷值结果

柴油十六烷值测定FCD-压缩比法和FCD-内插法的差异性在于：FCD-内插法只能够利用人力，不能够实现自动化操作；FCD-压缩比法摆脱了内插法的断续十六烷值计算基础，只用一个标样或不用标样即可测得柴油试样十六烷值。FCD-压缩比法的后续发展可在IC技术配合下（幂函数方程式与十六烷值测定机组合成一体，机组直接显示测试试样的十六烷值），通过电阻电桥等元件的应用实现自动化操作，在防爆技术配合下实现装置在线分析仪表化。

采用配对t检验方法[5]判断FCD-压缩比法和FCD-内插法是否存在显著性差异，给定显著性水平α＝0．05，查 表[5]得t（0．05，11）＝1．80，t（0．05，45）＝1．68。由表6数据计算出t检验结果为0．012，小于1．68，表明两种方法测定结果是一致的，即用FCD-压缩比法测定柴油十六烷值代替FCD-内插法是可行的。

3 结 论

（1）九江分公司研发出柴油十六烷值测定FCD-压缩比法，该方法测定结果精密度高，重复性好。FCD-压缩比法与CFR-ASTM法和FCD-内插法无显著性差异；用FCD-压缩比法代替CFR-ASTM法和FCD-内插法测定柴油十六烷值是可行的。

（2）FCD机组改造风量系统后，十六烷值测试结果重复性差异最大为0．1，小于0．9的重复性要求。风量系统的高稳定性为进一步缩小检测偏差、提高分析精度打下了坚实的技术基础；同时，也为柴油十六烷值测试自动化提供了技术保障。

（3）与 CFR-ASTM 法相比，FCD 方法（含FCD-压缩比法、FCD-内插法）实现了风量调整双向自由化调整（CFR-ASTM法基于机械原因只能朝一个方向压缩）；与FCD-内插法（内插法只能利用人力资源，不能实现自动化操作）相比，FCD-压缩比法摆脱了内插法的断续十六烷值计算基础，只用一个标样或不用标样即可测得柴油试样十六烷值。

（4）FCD-压缩比法的后续发展可在IC技术配合下通过电阻电桥等元件的应用技术实现自动化操作，在防爆技术配合下实现装置在线分析仪表化。