十六烷值測定的不確定性分析與評價

李鳳偉

（中石化洛陽工程有限公司，河南 洛陽 471003）

十六烷值測定的不確定性分析與評價

李鳳偉

（中石化洛陽工程有限公司，河南 洛陽 471003）

用十六烷值認可參考值為52.99的高值檢驗燃料作為試樣，按照GB/T 386-2010方法要求進行測試，對美國Waukesha公司生產的十六烷值試驗機ASTM-CFR F5和法國Normalbab公司生產的自動十六烷值標準/辛烷值參比燃料混合器NABLEND8877在人員實驗操作過程中產生的不確定度來源進行分析。通過對各個不確定度分量進行量化與合成，計算出了合成不確定度和擴展不確定度。

不確定度；十六烷值；標準燃料；手輪讀數

不確定度是建立在誤差理論基礎上的一個新概念，它表示由于測量誤差的存在而對被測量值不能肯定的程度，是定量說明測量結果質量的一個參數。從測量不確定度的詞義上理解，意味著測量結果可信性、有效性的懷疑程度或不肯定程度［1］。

其產生原因主要是測量的不完善和人們認識的不足。測量不確定度的評定與表示主要是從計量學的角度，結合測量結果形成的整個過程，通過各分量的不確定度計算出來［2］。在測量不確定度評估中可通過所用儀器、量具校準的標準不確定度，其示值誤差，以及環境溫度變化的不確定度來評估測量結果的分散性。也可以利用以前積累的統計數據或方法的重復性限等參數來評估測量結果的分散性。

十六烷值是評價柴油性能的重要指標，其測量結果直接關系到柴油產品是否合格，因此，對十六烷值測量結果的可信與可靠程度進行分析和評定十分重要。十六烷值試驗機ASTM-CFR F5能有效實現模擬發動機對柴油著火性能的測試，NABLEND8877自動十六烷值標準燃料混合器是配制標準燃料的儀器，儀器設備和人員操作中會產生相應的不確定度。本文對認可參考值為52.99的高值檢驗燃料進行測試，利用因果圖分析了不確定度來源，并對不確定度各個分量進行了評定［3-4］。

1　實驗部分

1.1儀器與測量條件

ASTM-CFR試驗機

發動機的轉速：900±9r/min。

噴油提前角：固定在上止點前13°。

噴油器開啟壓力：10.30±0.34MPa。

噴油量：13.0±0.2mL/min，對每個試樣和標準燃料都要測量。

噴油傳感器間隙：發動機處于停機狀態時，一般將間隙調整為1mm（0.04in）。

油器冷卻溫度：38±3℃（100±5℉）。

氣門間隙：0.20±0.02mm，熱機下測量。

潤滑油壓力：在標準操作條件下為0.17-0.20MPa（25-30Psi）。

潤滑油溫度：57±8.5℃（135±15℉）。

冷卻液溫度：100±2℃（212±3℉），在試驗期間要恒定在±0.5℃（±1℉）的范圍內。

吸入空氣溫度：66±0.5℃（150±1℉）。

1.2試劑

氣缸夾套冷卻劑：水作為冷卻劑，應符合GB/T 6682中三級水的要求。

圖1　十六烷值測定流程圖

發動機曲軸箱潤滑油：應使用SF/CD或SG/CD的SAE30黏度等級的潤滑油。在100℃時，其黏度為9.3mm2/s～12.5mm2/s，黏度指數不小于85。不能使用加有黏度指數改進劑的潤滑油，也不能使用多級潤滑油。

正標準燃料：純度≥99.0%（色譜法測定），十六烷值為100。

七甲基壬烷：純度≥98.0%（色譜法測定），十六烷值為15。

副標準燃料：T燃料（典型CNARV為73～75），U燃料（典型CNARV為20～22）。

檢驗燃料：低十六烷值檢驗燃料（典型CNARV為38～42），高十六烷值檢驗燃料（典型CNARV為50～55）。

1號副標準燃料（T燃料和U燃料）混合物，2號副標準燃料（T燃料和U燃料）混合物，高值檢驗燃料（一種用于控制試驗質量的、性質經過選擇的、專門用來檢查十六烷值機和評價柴油十六烷值測定準確性的柴油）。

1.3取樣

試樣選取十六烷值認可參考值為52.99的高值燃料進行測量，最大允許誤差在±1.02以內。

按照GB/T 4756的規定取樣。取樣和儲存樣品均應使用不透明容器，如深棕色玻璃瓶、金屬罐或反應活性較小的塑料容器，以盡量較少暴露在陽光和紫外線下。

在發動機試驗之前，試樣應達到室溫，典型室溫為18～32℃，試樣可用定性濾紙過濾。

1.4十六烷值的測定方法

柴油的十六烷值是在標準操作條件下，在實驗發動機中，將其著火性質與兩個已知十六烷值的（十六烷值相差不大于5個單位，能將樣品包括在中間）標準燃料混合物比較來測定，測定采用內插法的手輪法：對樣品和兩標準燃料中的每一個均改變發動機的壓縮比（手輪讀數），以得到特定的著火滯后期（噴油器開始噴油和燃燒之間的時間間隔，以曲軸轉角度數表示），然后根據手輪讀數用內插法計算十六烷值。實驗步驟如圖1所示：

十六烷值計算公式：

CN——柴油試樣的十六烷值；

CN1——低著火性質標準燃料的十六烷值，注：本次試驗用CN1=50.1

CN2——高著火性質標準燃料的十六烷值，注：本次試驗用CN2=55.1

a——樣品兩次測定手輪讀數的算術平均值；

a1——低十六烷值標準燃料兩次測定手輪讀數的算術平均值；

a2——高十六烷值標準燃料兩次測定手輪讀數的算術平均值。

2　結果與討論

2.1不確定度的來源分析

有關的各不確定度來源如圖2所示。

因為標準燃料和檢驗燃料是在短時間內測定，轉速，溫度，壓力對于三者的影響相同，引起的不確定度可忽略。而稱量過程的重復性和手輪的重復性試驗對結果的影響都會在測量結果的重復性中表現出來，因此，得到簡化的不確定度來源因果圖如圖2所示。

從簡化圖中可以看出各個不確定度分量：標準燃料的稱量產生的不確定度主要是天平的校準引入的，手輪讀數產生的不確定度主要來自于手輪讀數分辨率引入，重復性產生的不確定度主要來自稱重和手輪讀數。

2.2不確定度分量的評定

不確定度可以分為A、B兩大類。A類不確定度主要是指可以用方法計算出的不確定度，表現為重復性。B類不確定度包括：手輪讀數產生的不確定度，主要是分辨率產生的不確定度；配置標準燃料帶來的標準不確定度，主要是天平校準和標準物質校準產生的不確定度。

2.2.1A類評定

重復性引起的不確定度

在測試條件下進行重復性實驗，對同一樣品進行了6次測試，測定結果及不確定度評定結果見表1。

圖2　各不確定度來源示意圖

圖3　簡化合并后的不確定度來源

2.2.2B類評定

試驗中手輪分辨率引起的十六烷值的標準不確定度

在測試兩種標準燃料時，手輪讀數平均差值為32個刻度，每刻度所影響的十六烷值：（55.1-50.1）÷32=0.16

分辨率引起的讀數誤差±0.5刻度，由手輪分辨率產生的十六烷值的不確定度服從均勻分布，又因每次試驗的手輪讀數是兩次手輪讀數的平均值，樣品兩次測定手輪讀數由分辨率產生的十六烷值不確定度

表2　測試過程手輪讀數及計算結果

同理，低十六烷值標準燃料兩次測定手輪讀數由分辨率產生的十六烷值不確定度：

高十六烷值標準燃料兩次測定手輪讀數由分辨率產生的十六烷值-不確定度：

配制標準燃料時天平校準和標準燃料的校準引起的不確定度

（1）配制標準燃料1引起的不確定度

配制標準燃料要用兩種燃料：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）天平校準

天平檢定證書顯示：10mg-5kg：d=0.1g；e=10d；Max= 2100g。0g-2000g稱量誤差為0～0.2e，最大允許誤差為±2e，標準不確定度服從均勻分布0.2÷3=0.12g。由于稱量要經兩次獨立稱量（瓶重和總重），所以天平校準不確定度，不論是稱量T燃料和U燃料都是同一臺天平，所以稱量T燃料的不確定度umT和稱量U燃料的不確定度umU相等，即umT=umU=0.17g。

標準燃料校準引起的標準不確定度，由于十六烷值以它為標準賦值，可忽略不確定度。

2）配制過程引起的不確定度

要配制500ml十六烷值為CN1=50.1的標準燃料1，需用十六烷值為75.2的T燃料275.12g和十六烷值為19.4U燃料224.92g，即：

（2）同上，配制CN2=55.1標準燃料2，引起的不確定度

表3　十六烷值測定各不確定度分量的匯總表

由表3中各個不確定度分量的比較可看出，十六烷值測定的不確定度的主要來源是測量的過程中重復性產生的不確定度分量，配置標準燃料和手輪分辨率產生的不確定度相對較小。

（3）合成不確定度和擴展不確定度

把相應的數值代入上式（3）中，得出合成不確定度ue=0.40

在95%置信度水平下，取包含因子k=2

則十六烷值擴展不確定度：U=kP×ue=2×0.40=0.80

3　結論

本文按照測量不確定度評定的指導原則，根據實驗方法建立數學模型，確定柴油十六烷值測定過程中的不確定度來源有：標準燃料配制過程產生的不確定度、手輪分辨率產生的不確定度、測試過程中重復性引起的不確定度。通過對實驗過程中的各個不確定度分量逐一進行分析與計算，得出結論如下：實驗方法不確定度的主要分量為試驗過程中重復性產生的不確定度，用十六烷值認可參考值52.99±1.02的高值檢驗燃料檢測，其測量結果的合成不確定度為0.40。在95%置信度水平下，取擴展因子k=2，則柴油十六烷值測定的擴展不確定度為U=0.80，按標準GB/T 386-2010，6次重復測定認可參考值52.99的高值檢驗燃料十六烷值為CN=53.12±0.80。可見測量值CN=53.12±0.80在高值檢驗燃料認可參考值52.99±1.02允許誤差范圍內。本文對影響檢測結果的各個不確定度分量進行分析和計算，為該柴油十六烷值測定方法的優化和測量結果的評定提供了科學依據，對其他實驗室測定柴油十六烷值的不確定度評價均具有很好的借鑒和參考作用。

［1］中國合格評定國家認可委員會.石油石化領域理化檢測測量不確定度評估指南及實例［M］.北京：中國計量出版社，2010.

［2］國家質量監督檢驗檢疫總局質量管理司.質量專業綜合知識［M］.北京：中國人事出版社出版，2010.

［3］ASTM D613-05，柴油燃油十六烷值標準試驗方法［S］.

［4］GB/T 386-2010，柴油十六烷值測定法［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

李鳳偉（1971.10-），男，本科，工程師，研究方向：汽柴油燃燒性能研究。