研究法辛烷值的测定及不确定度评估

秦玉清+刘实+朱志庆+叶丽红

摘要用美国WAUKESHA的CFR公司生产的模拟型辛烷值机测定了汽油的辛烷值，并对测定过程的不确定度进行了评估，将测量重复性、点火角度、进气温度、大气压力及被测燃料的燃空比作为不确定度的考察对象，旨在通过不确定度的计算，确认对研究法辛烷值检测结果的主要影响因素。

关键词测量不确定度；研究法辛烷值；合成不确定度；扩展不确定度

辛烷值是表示汽油抗爆性能好坏的一项重要指标，是车用汽油各种产品参数的关键项目。更高的辛烷值代表汽油具有更好的抗爆性，可以用在具有更高压缩比的发动机中，从而带来更高的发动机功率，提高燃料的经济性。国同诸多学者及相关工作人员也已经对辛烷值的工作原理及操作、维护各多个方面进行了较深入的研究，以何天亮为代表的工作者也对研究法辛烷值测定的不确定度进行了研究，但他在进行B类不确定度分量进行考量时，没有将试验机的具体参数进行分解，而是将试验机的不确定度作为一个综合分量参与了不确定度的合成。新的研究法辛烷值测定国家标准GB/T 5487-2015《汽油辛烷值测定法（研究法）》于2016年6月1日正式实施，对于研究法辛烷值测定的各项要求更加具体。作者利用满足GB/T 5487-2015要求的美国WAUKESHA的CFR公司生产的模拟型研究法辛烷值试验机，测定了汽油燃料的研究法辛烷值，对将试验机的主要参数作为不确定度分量参与计算对测量不确定度进行了分析和考察，对影响测定的各项因素进行了深入研究。

1实验部分

1.1实验仪器及样品

实验使用位于美国威斯康星州WAUKESHA地区的CFR公司生产的模拟型辛烷值试验机，由可变压缩比的单缸CFR发动机、曲轴箱、热力虹吸再循环夹套冷却系统、通过9/16英寸文氏管输送燃料的带选择阀的多燃料罐系统、进气系统等多部分组成，发动机转数为602r/min，标准工况下的进排气门间隙均为0.008±0.001英寸。

试验用燃料为从CFR公司采购的甲苯标准燃料和正庚烷标准燃料按照标准配制而成，甲苯：正庚烷的体积配比为74：26，按照GB/T 5487-2015的要求，该标准燃料的标准辛烷值为93.4辛烷值单位，允差为±0.3辛烷值单位。在辛烷值机的标准工况下，采用GB/T5487-2015中的c法——压缩比法测定汽油的研究法辛烷值。

1.2实验步骤

1）将试验机总电源打开，预热仪器约1h，待润滑油温度达到57±8℃（135±15F）后，向各润滑点加润滑油。2）盘车2～3圈，向燃料杯中加入预热用汽油后打开试验机电源，待潤滑油压力达到25～30Psi区间后，松开手，让电机拖动试验机转约1分钟，打开点火、加热等开关，再转动燃料杯阀向试验机供预热用汽油，将计数器调低至试验机不爆震。3）查看大气压力，按照GB/T 5487-2015的要求调整计数器补偿值和进气温度值。4）将标准油和待测汽油加入不同的燃料杯，待进气温度、冷却水温度均达到设定值，试验机达到标准工况后向试验机供标准油，调节液位计中的液位高度和放大器，使标准油达到标准爆震强度。5）测定待测汽油在标准爆震强度下的计数器读数，查操作表得到待测汽油的研究法辛烷值。

2不确定度来源的确定和模型分析

2.1测量重复性

在研究法辛烷值的测定过程中，由于分析仪温度控制系统的限制，进气温度会存在一定的波动；样品的气化、样品的均匀程度以及试验机的转速波动也会对测定有一定的影响。可以通过重复测定，用统计方法确定这些影响因素的不确定度分量，见图1。

2.2点火角度

点火角度是影响测定结果的一个重要因素，会引起个辛烷值的明显测定误差。按照矩形分布进行计算，取±0.2辛烷值单位作为计算半区间。

2.3进气温度

试验机用的温度计为英制单位，精度为1F，故用0.5F作为不确定度计算半区间，按照矩形分布计算。

2.4大气压力

大气压力表的最小分度为0.1kPa，故用0.05kPa，作为不确定度计算半区间，也采用矩形分布计算。

2.5被测燃料液位高度

得不到最佳燃空比会有±0.1个辛烷值的误差，通过调节燃料液面调试的方式来实现不同燃空比的调整，同样按照矩形分布进行计算。

3各不确定度分量的定量

3.1A类不确定度的评估

对观测列进行统计分析所作的评估：测量重复。在重复性条件下，对同一甲苯标准燃料从取样开始独立重复测量6次，测量结果见表1。

进气温度波动、样品的气化、样品的均匀程度以及试验机的转速波动4个不确定度分量都是影响A类不确定度的因素，均符合正态分布，可以通过反复测定予以消除，计算中将此4个不确定度分量归为重复性来考察，而不再单独考虑各自的影响情况。

在规范化常规测量时只是由一次测量就直接给出测量结果，假设某次的测量结果为93.35，则该测量结果的标准不确定度Urep就是实验标准差S（X）=0.055、相对标准不确定度为0.0006。

3.2 B类评估

当输入量的估计量不是由重复观测得到时，其标准偏差可用对估计量的有关信息或资料来评估。

1）点火角度。点火角度偏离0.5度就会引起±0.1个辛烷值的误差（根据中国石化青岛炼化公司检验中心检测数据）。标准不确定度为其相对标准不确定度为

2）进气温度。进气温度升高或降0.5度会有±0.05个辛烷值的误差（根据中国石化青岛炼化公司检验中心检测数据）。标准不确定度为

3）大气压力。大气压力表读数的影响很小，几乎是没有影响，因此按照相对标准不确定度0.00001考虑，因其值太小，故不参与计算中。

4）燃料液位高度。得不到最佳燃气比会有±0.1个辛烷值的误差（根据中国石化青岛炼化公司检验中心检测数据）。按照矩形分布进行计算。即其相对不确定度为

4合成标准不确定度

参照各不确定度分量直方图，小于合成相对标准不确定度三分之一的分量不参与计算，可以将不确定度合成公式简化如下：

表2列出了各不确定度分量，图3为各不确定度分量的直方图。

5扩展不确定度的计算

扩展不确定度考虑95%的置信水平，此时包含因子约等于2，将合成标准不确定度乘以包含因子得到扩展不确定度U（RON）。

6结论

在本次参与测量不确定度评定的5个主要操作参数中，大气压力表计数的影响是最小的，几乎在最终合成不确定度时可以忽略不计。在考察的B类不确定度分量中，通过燃料液位高度来改变的燃空比和试验机点火角度带来的不确定度分量在总的不确定度中占比较高，同时由测定重复性引入的A类不确定度也有较大影响，这3项是组成不确定度的主要分量。B类不确定度分量中的进气温度对于不确定度的贡献相对要小一些。

由美国CFR公司生产的辛烷值试验机为标准的可变压缩比四冲程发动机，试验机结构十分复杂，在测定辛烷值过程能够引入的不确定度分量也非常复杂，本文无法逐一考察每种影响因素，只是针对几个有代表性的重要参数进行了考察评定，可能不够全面也不够完整，对于辛烷值试验机而言，其测量不确定度的评定需要广大工作人员持续挖掘和交流。