风量调节法测定柴油十六烷值的方法研究

张会成，付 伟，郭亚平，凌凤香，高 波，程仲芊

(1.中国石化抚顺石油化工研究院，辽宁 抚顺 113001； 2.中国石油化工股份有限公司科技部)



风量调节法测定柴油十六烷值的方法研究

张会成1，付 伟2，郭亚平1，凌凤香1，高 波1，程仲芊1

(1.中国石化抚顺石油化工研究院，辽宁 抚顺 113001； 2.中国石油化工股份有限公司科技部)

简述了风量调节法测定十六烷值的方法原理，利用FCD-Ⅱ柴油十六烷值测定机进行风量调节法测定柴油十六烷值的方法研究，研究了风量与十六烷值的关系，采用8个不同十六烷值的柴油样品对该方法的重复性进行考察，并与压缩比法测定结果进行对比。结果表明：风量与十六烷值呈非线性关系，通过参比燃料、利用内插方法可以精确计算十六烷值；该方法在十六烷值为25～75范围内的测量重复性小于1.0个单位，与压缩比法测定结果具有很好的一致性；风量调节法具有油品适用范围广、十六烷值测定范围宽、稳定性好、节省标准燃料和试样、操作简单的优点，可以作为柴油十六烷值的测定方法。

十六烷值 风量调节 压缩比 柴油

柴油的发火性表示柴油的自燃能力，即柴油经高压压缩后着火的难易程度，是柴油的重要使用性能之一，一般采用十六烷指数、衍生十六烷值或十六烷值来表征。目前，十六烷指数一般采用GBT 11139 或 SHT 0694 方法关联计算[1-2]，衍生十六烷值采用 ASTM D6890[3]方法测定，十六烷值采用 GBT 386[4]方法测定。十六烷指数计算法是利用不同的物性关联[5-6]，但由于关联的物性存在分析误差，以及组成结构信息不全，导致计算结果偏差较大，特别是对含添加剂的柴油不适用。ASTM D6890 等容燃烧法测定衍生十六烷值采用模拟发动机，以正庚烷作为校正样品，对温度、压力等参数的测量精确度要求高，需要多次进行预试验满足要求后，再进行多次统计试验，条件要求苛刻。GBT 386 十六烷值测定法是一种压缩比调节方法，该方法使用专用测试仪器，费用昂贵，操作难度大，而且耗时长，样品用量大，维修、维护困难。因此，中国石化抚顺石油化工研究院开发了一种新的柴油十六烷值测定方法，即风量调节法[7]，对燃烧气缸内的温度流场、压力流场及空气速度分布进行大量模拟研究，在理论上证实了该方法的科学性[8]。本课题利用FCD-Ⅱ柴油十六烷值测定机进行风量调节法测定十六烷值的方法研究，采用实际柴油样品测定十六烷值，研究十六烷值与风量的关系，考察测定结果的重复性，并与压缩比法测定结果进行对比。

1 实 验

1.1 试验设备

FCD-Ⅱ柴油十六烷值测定机：单缸四冲程，缸径×行程为 90 mm×90 mm，转速(1 000±10) r/min，压缩比 21，进油量 10 mL/(90 s±1.5 s)，喷油提前角 20°，发火延迟角 20°，喷油压力(12.75±0.5) MPa，等容可变压缩力调节范围 0～20 kPa，风量表读数范围 0～1 000。

ASTM CFR 十六烷值测定机：适用于GB/T 386标准(压缩比法)，缸径×行程为 82.5 mm×114.3 mm，转速(900±9)r/min，进油量(13.0±0.2) mL/min，喷油提前角 13°，发火延迟角 13°，喷油压力(10.30±0.34) MPa。

1.2 试验原料

柴油样品：由燃料调合得到 8 个不同十六烷值的柴油样品(A～H)，其十六烷值分别为30，38，42，48，55，63，68，72。

检验燃料：2 个检验燃料样品(J1和J2)，其十六烷值分别为42和53，美国菲利普斯石油公司生产。

2 风量调节法测定十六烷值的原理

2.1 十六烷值与自燃点的关系

烃类的十六烷值与其分子结构有关，不同结构烃类的十六烷值见表1。对于纯化合物而言，碳数多的直链烷烃，其十六烷值大于碳数少的直链烷烃；含支链烷烃的十六烷值较低，支链越多，十六烷值越低；芳烃的十六烷值最低，并且芳环数越多，十六烷值越低，芳环上含有烷烃取代基时可提高其十六烷值，取代基碳链越长十六烷值越高。化合物自燃点与分子结构的关系[9]见表2。碳数多的直链烷烃，其自燃点低于碳数少的直链烷烃；含支链的烷烃自燃点较高，支链越多，自燃点越高；芳烃的自燃点最高，并且芳环越多，自燃点越高，芳环上含有烷烃取代基时可降低自燃点，取代基碳链越长，自燃点越低。

表1 不同结构烃类的十六烷值

表2 自燃点与分子结构的关系

上述结果说明十六烷值与自燃点有一定的关联性，如图1所示。十六烷值越高，自燃点越低。在风量调节法测定柴油十六烷值的研究中发现，燃料的起始燃烧温度可以通过风量调节来控制。在气缸压缩比固定的条件下，加大进入气缸的空气量(即增加风量)，到达压缩终了时的压缩温度升高，可以使高自燃点(低十六烷值)的燃料燃烧；而减少进入气缸的空气量(即减小风量)，到达压缩终了时的压缩温度降低，可以使低自燃点(高十六烷值)的燃料燃烧。

图1 十六烷值与自燃点的关系

2.2 方法原理

风量调节法采用固定“着火滞后期”(燃料喷射开始和燃烧开始之间的时间间隔)法测定柴油十六烷值。气缸容积为固定值，燃烧室体积和工作体积都为恒定值，压缩比固定在21，通过控制进入气缸的空气量，即风量(以风量表读数表示)，来调节压缩冲程终了时燃烧室内的压力和温度。将试样的着火性质与已知十六烷值的参比燃料的着火性质相比较，选择十六烷值差值不大于5个单位的两种参比燃料，以相同方法获得精确的着火滞后期，当试样的风量处于两种参比燃料风量之间时，用内插法 [式(1)] 计算出试样的十六烷值。风量越大，压缩冲程终了时燃烧室内的压力和温度越高，所测定柴油的十六烷值越低；反之，风量越小，压缩冲程终了时燃烧室内的压力和温度越低，所测定柴油样品的十六烷值越高。

CN =L+(H-L)(ai-aL)(aH-aL)

(1)

式中：CN 为试样的十六烷值；H为高参比燃料的十六烷值；L为低参比燃料的十六烷值；aH为高参比燃料的风量表读数；aL为低参比燃料的风量表读数；ai为试样的风量表读数。

3 结果与讨论

3.1 风量与十六烷值的关系

利用FCD-Ⅱ柴油十六烷值测定机，采用风量调节法测定不同调合样品的十六烷值，风量与十六烷值的关系见图2。由图2可以看出，随着样品十六烷值的增加，风量表读数降低，即进入发动机气缸的空气量减少。由图2中曲线形状可知，风量与十六烷值呈非线性关系。因此，本方法中选择两个十六烷值差值不超过5个单位的样品作为参比燃料，试验样品的十六烷值在两者之间，它们的风量表读数也有同样的关系，在有限范围内把曲线近似成直线来进行内插计算，既简化了计算过程，又具有一定的合理性。

图2 风量与十六烷值的关系

3.2 风量调节法测定十六烷值的试验验证

3.2.1 检验燃料的验证 采用风量调节法对十六烷值分别为42和53的两种进口检验燃料(J1、J2)分别测定9次，结果见表3。由表3可以看出，风量调节法测得两种检验燃料的十六烷值平均值分别为41.9和53.2，与实际值的绝对偏差分别只有0.1和-0.2个单位，说明该方法测定十六烷值具有很好的准确性。

表3 检验燃料验证结果

3.2.2 重复性试验 采用8个不同十六烷值的柴油样品(A～H)，考察风量调节法测定十六烷值的重复性。每个样品分别进行9次测量，试验结果见表4。由表4可以看出，风量调节法测定8个样品十六烷值的极差为0.6～1.5，相对标准偏差最大值只有1.69%，说明该方法的重复性良好。

表4 重复性考察试验结果

3.2.3 风量调节法与压缩比法的测量结果比较8个不同柴油样品的风量调节法与压缩比法十六烷值测定结果对比见表5。从表5可以看出，对相同柴油样品，采用风量调节法与压缩比法测定十六烷值的结果基本吻合，最大偏差小于2.0个单位。根据GBT 386精密度要求，在十六烷值为40～56范围内，用内插法计算再现性误差指标，分别得到C，D，E样品的再现性误差指标为2.8，3.8，4.8。因此风量调节法与压缩比法测定结果的偏差小于再现性误差指标，说明两种方法的测量结果具有很好的一致性。

表5 风量调节法与压缩比法十六烷值测定结果对比

4 结 论

(1)通过风量调节法可以测定十六烷值。随燃料十六烷值增大，风量降低。风量与十六烷值呈非线性关系，采用两个十六烷值差值不超过5个单位的参比燃料，利用内插方法可简便、准确地计算十六烷值。

(2)风量调节法测定燃料十六烷值具有很高的准确性和重复性，与传统压缩比法有很好的一致性。风量调节法具有油品适用范围广、十六烷值测定范围宽、稳定性好、节省标准燃料和试样，操作简单的优点，可以作为燃料十六烷值测定的标准方法。

[1] 国家质量监督检验检疫总局，国家标准化管理委员会.GBT 11139 馏分燃料十六烷指数计算法[M]石油和石油产品试验方法国家标准汇编(中).北京：中国标准出版社，2016：573-576

[2] 国家质量监督检验检疫总局，国家标准化管理委员会.SHT 0694 中间馏分油燃料十六烷指数计算法 四变量公式法[M]石油和石油产品试验方法行业标准汇编(第三分册).北京：中国标准出版社，2010：30-34

[3] ASTM D6890，Standard Test Method for Determination of Ignition Delay and Derived Cetane Number(DCN)of Diesel Fuel Oils by Combustion in a Constant Volume[S]

[4] 国家质量监督检验检疫总局，国家标准化管理委员会.GBT 386柴油十六烷值测定法 [M]石油和石油产品试验方法国家标准汇编(上).北京：中国标准出版社，2016：121-155

[5] 任连岭，张越鹏，张庆东，等.柴油发火性评价方法及其相关性研究[J].石油商技，2010，28(3)：78-81

[6] 李虎.十六烷值关联方法综述[J].炼油与化工，2012，23(6)：4-7

[7] 国家质量监督检验检疫总局，国家标准化管理委员会.GBT 33298—2016 柴油十六烷值的测定 风量调节法[M].北京：中国标准出版社，2016

[8] 张会成，付伟，郭亚平，等.风量调节法测定柴油十六烷值的燃烧模拟研究[J].石油炼制与化工，2017，48(7)：17-21

[9] 陈波水，严正泽，朱钟敏，等.柴油自燃点与十六烷值对应关系[J].石油炼制，1990，21(5)：50-53

DETERMINATION OF DIESEL CETANE NUMBER BY AIR FLOW CONTROL

Zhang Huicheng1， Fu Wei2， Guo Yaping1， Ling Fengxiang1， Gao Bo1， Cheng Zhongqian1

(1.SINOPECFushunResearchInstituteofPetroleumandPetrochemicals，Fushun，Liaoning113001； 2.SINOPECDepartmentofScienceandTechnology)

Method for cetane number determination was studied by air flow control with FCD-Ⅱ cetane number tester.The principle for air flow control was introduced.The relations between air flow and cetane number were tested，the repeatability of the method was investigated for 8 samples having different cetane number were conducted，and the results were compared with that by compression ratio.The results show that the air flow has a nonlinear relationship with the cetane value.The cetane number can be calculated by interpolation method.Repeatability bias of cetane numbers measured is less than 1.0 in the range of 25 to 75，which is in good agreement with the compression ratio method.

cetane number； air flow control； compression ratio； diesel

2017-01-10； 修改稿收到日期： 2017-04-15。

张会成，博士，教授级高级工程师，研究方向为石油产品检测技术及分子结构表征，公开发表论文50余篇，申请专利20余项，获得中国石化科技进步二等奖1次、三等奖1次。

张会成，E-mail：zhanghuicheng.fshy@sinopec.com。

中国石油化工股份有限公司合同项目(713027)。