基于幂指数法预测柴油十六烷值

王家兴，张会成，凌凤香

(中国石化大连石油化工研究院，辽宁 大连 116045)

1 引 言

十六烷值用来评定柴油的着火性能,其值越高，则柴油的自燃性能越好，点燃延迟期越短；其值过低，点燃延迟期就会变长。目前十六烷值采用发动机台架试验法进行评定[1～3]，广泛采用的是美国Waukesha的十六烷值机。由中国石化抚顺石油化工研究院研发的FCD-Ⅱ型风量调节法十六烷值机也被广泛用于柴油十六烷值的检测[4]，各大科研院所或质检机构将其用于日常控制分析。这两种仪器都是基于内插法进行十六烷值的测试，操作人员需要利用副标准燃料T26和U19混合配制两种标准样品，且要求两种标准样品十六烷值之差不大于5.0[5]，同时要确保试验样品的十六烷值在两种标准燃料的十六烷值之间。这种方式有两个不足，第一是标准燃料的成本很高，试样数量多时，消耗量大；第二是标准样品配制对操作者要求高，步骤较为繁琐。

近年来随着仪器制造水平的提高，分析仪器自动化程度不断提高，减少操作复杂性，使操作人员易于试验已经成为一种仪器开发的趋势。在操作难易程度方面，FCD-Ⅱ型风量调节法十六烷值机具有明显优势，它将一些功能进行了整合，操作面板具有更强的可读性和易于操作性。设计方式和操作过程更符合我国操作人员的习惯，开发非常具有针对性[4]。

基于风量调节法柴油十六烷值测定机提出了一种十六烷值预测方法，目的是通过这种预测能够快速地测定柴油十六烷值[6～8]；同时，能够减少标准燃料的消耗，即减少副标T26和U19的使用量，节省台架试验成本，尤其对控制分析或科研试验具有重要意义。

2 仪器工作原理及结构

FCD-Ⅱ型风量调节法十六烷值机是采用固定着火滞后期法测定柴油十六烷值。该方法在标准操作条件下，将试样的着火性质与已知十六烷值的标准燃料着火性质相比较来测定。

具体方法是改变燃料燃烧时所需的进气量，以此来获得准确的着火滞后期，即燃料喷射开始和燃烧开始之间的时间间隔。不同的燃料燃烧时所需进气量不同。根据试样风量读数，选择十六烷值差值不大于5个单位的两种标准燃料，以得到固定的着火滞后期。当试样的风量读数处于两种标准燃料的风量读数之间时，用内插法计算试样的十六烷值。

风量调节法十六烷值机结构框图如图1所示。

图1 风量调节法十六烷值机结构框图

3 预测方法的选择

通过大量试验数据，结果表明柴油十六烷值与风量读数之间存在一定关系，十六烷值在50到60范围内，两者之间线性度很好；当十六烷值低于50时，或在检测下限35到50范围内，线性度很差；在典型测试范围35～65内不具备线性关系。对风量读数与柴油十六烷值相关性进行拟合，所拟合曲线用幂函数表达更为适宜。幂函数的特点是自变量较小且在小区间变化时，因变量变化速率更快，如图2所示。选择幂函数曲线来近似风量读数与柴油十六烷值之间的关系，从而得到柴油十六烷值。

图2 十六烷值与风量读数的幂曲线趋势图

4 十六烷值计算模型的建立

4.1 普通柴油的预测模型

分别对多个不同编号、不同十六烷值的柴油样品进行测定，得到台架试验结果和风量读数如表1所示。

表1 普通柴油十六烷值与风量读数

根据表1，柴油十六烷值与风量读数的幂指数函数为y=1 784.8x-0.562，绘制拟合的幂指数曲线如图3所示。

4.2 生物柴油的预测模型

对样品编号为S1～S10的生物柴油样品进行了试验，试验结果与风量读数见表2。

图3 生物柴油十六烷值预测模型的拟合曲线

表2 生物柴油十六烷值与风量读数

根据表2生物柴油试验结果，生物柴油十六烷值与风量读数的幂指数函数为y=1 834.6x-0.568，绘制拟合的幂指数曲线如图4所示。

图4 生物柴油十六烷值预测模型的拟合曲线

5 不同种类柴油的误差预测

5.1 普通柴油样品的误差预测

为了比较台架试验的实测值与幂指数计算值，对编号为11～15的普通柴油样品进行预测，根据着火固定期法，调整至标准操作条件，读出以上5个样品的风量读数，根据拟合曲线预测出各个样品十六烷值。预测结果和台架试验的对比结果如表3所示。

表3 幂指数计算结果与台架试验结果比对

十六烷值与台架试验结果比对表明，普通柴油十六烷值计算值与实际测量值最大误差值为0.6。根据GB/T 386—2010及GB/T 33298—2016有关重复性和再现性内容，并与其重复性进行比较，重复性最小不超过0.8。预测误差完全可以满足重复性要求。可以看出通过幂指数计算法得到的十六烷值与实测值较为接近，具有重要参考价值，在控制分析及科学研究试验过程中，可以使用这种方法得到柴油十六烷值[9]。

5.2 生物柴油样品的误差预测

为了更全面地考察拟合曲线预测的准确性和适用性，又对一组生物柴油样品进行了台架试验和预测值的比对，结果见表4。

表4 BD1～BD5生物柴油样品比对结果

由表4可知，BD1～BD5生物柴油样品的预测最大误差为0.5个十六烷值。预测最大误差小于GB/T 33298—2016方法中规定的重复性最小值。

6 柴油十六烷值预测模型的校正

为了进一步提高幂指数曲线拟合的精度，对已有的预测模型进行校正，采用标准样品的台架试验结果来校正拟合幂指数曲线。由于标准样品的性质更为稳定，标准样品的十六烷值为已知，通过对其十六烷值进行预测，再通过计算得到标准样品的十六烷值与其十六烷值预测值的比值。十六烷值机的性能保持不变，可以认为测试得到的柴油试样的十六烷值与柴油试样的十六烷值预测值的比值等于上述标准样品的比值。通过计算标准样品的十六烷值与其预测值的比值从而确定校正因子k：

式中:CN为柴油试样的十六烷值；CN1为柴油试样的十六烷值的预测值；CN2为标准样品的十六烷值；CN22为标准样品的十六烷值预测值。

选取编号为JZ-1柴油试样，对其进行台架试验，得到风量读数为752，带入拟合曲线得到其预测值为43.2；对十六烷值为45的标准样品进行试验，得到风量读数687，带入拟合曲线得到其预测值为45.4。因此，柴油试样近似十六烷值为

由于该柴油试样的近似十六烷值不是通过两个标准样品的十六烷值内插计算得到，而是通过拟合曲线方法间接得到；所以上述结果仅为近似十六烷值或者称为校正后的预测十六烷值。通过标准样品的校正，得到十六烷值水平在45时的校正系数k=45/45.4=0.991。

7 结 论

建立了普通柴油样品及生物柴油样品十六烷值的预测模型，并根据标准样品十六烷值与十六烷值预测值的比值给出柴油试样十六烷值预测值的校正过程，并给出了校正系数k。通过研究幂指数预测方法得到如下结论：

(1)普通柴油样品十六烷值的预测误差最大为0.6个单位，生物柴油样品的十六烷值预测误差最大为0.5个单位；

(2)台架试验按照GB/T 386—2010标准消耗标准样品量为300 mL，幂指数法可节约标准样品的使用，首次使用标准样品校正预测曲线后，后续台架试验不需要标准样品就可以得到结果；

(3)幂指数预测模型为十六烷值测量实现自动化检测提供了条件。