柴油十六烷值测量不确定度的评估-吕大伟

1、 柴油十六烷值测量不确定度的评估、八、前言随着科学发展和检验技术的进步，人们对检验数据的准确性和可靠性提出了更高的要求。关于测量结果的判定，由于传统的误差评定不能满足社会对检验结果的要求，不确定度评定应用而生。测量不确定度是与测量结果相联系的参数，它表征合理地赋予被测量之值的分散性。测量不确定度不仅可以客观地描述实验室某项试验的有效性和可靠性，而且还可以定量说明一个实验室技术水平和管理水平的高低。十六烷值是反映燃料在压燃式发动机中燃烧性能的指标1，是柴油产品标准中重要的质量指标之一，十六烷值的检测结果直接关系到产品质量的合格判定，因此有必要对十六烷值检测结果的可靠性进行必要的评估。为此，本文根

2、据JJF1059-1999测量不确定评定与表示对柴油十六烷值的测量不确定度进行了评估2。1试验部分1.1方法概要柴油的十六烷值是在标准操作条件下，将着火性质与已知十六烷值的标准燃料的着火性质相比较而测定。其做法是：调节发动机的压缩比，以得到被测试样确定的“着火滞后期”，即喷油开始和燃烧开始之间的时间间隔。根据测试样时得到的发动机的压缩比，选用相差不大于5个十六烷值单位的两种标准燃料，用同样的方法得其确定的“着火滞后期”。当试样的压缩比处在选用的两种标准燃料的压缩比之间时，根据手轮读数，用内插法计算试样的十六烷值。1.2发动机的操作条件1.2.1发动机的转速：900r/min9r/min。1.2

3、.2喷射定时：测定试样和标准燃料时为上止点之前13。1.2.3喷油器开启压力：10.30MPa0.34MPa。1.2.4喷油器流速：13.0mL/min0.2mL/min，对每个试样和标准燃料都要测量。喷油器冷却温度：38C3C(100F5F)。1.2.6气门间隙：0.20mm0.02mm，热机下测量。1.2.7润滑油压力：在标准操作条件下为0.17MPa-0.20MPa(25Psi-30Psi)。1.2.8润滑油温度：57C8.5C(135F15F)。1.2.9冷却液温度：100C2C(212F4F),在试验期间要恒定在土0.5C(1F)的范围内。1.2.10吸入空气温度：66C0.5C(1

4、50F1F)。1.2.11喷油传感器间隙：发动机处于停机状态时，一般将间隙调整为lmm（0.04in）。1.3标准物质1.3.1副标准燃料T-23:十六烷值为CN=76.0,密度为p=0.7888g/cm3。TT1.3.2副标准燃料U-16:十六烷值为CN=19.4,密度为p=0.7809g/cm3。UU1.4试验步骤1.4.1设定参数检查操作条件，使之符合1.2条规定的发动机试验典型柴油时运行的要求。1.4.2添加试样并检查燃料流速将试样装入空的燃料罐内，将燃料阀切换到用此燃料操作发动机的位置。调整燃料泵的流速测微计，使流速为13.0mL/min。1.4.3调整燃料喷射定时及压缩比调节喷油定

5、时器测微计，使喷油提前角为130.2。调节手轮改变压缩比，使着火滞后期为130.2。1.4.4记录样品手轮读数，作为燃料试样燃烧特性的有代表性的指示值。1.4.5选取一个接近试样预期十六烷值的副标准燃料（T燃料和U燃料）混合物。采取与燃料试样同样的调整和测量步骤，记录得到的手轮读数。选取另一个副标准燃料混合物，预期该混合物的手轮读数可使试样的手轮读数处于两个副标准燃料手轮读数之间。（要求这两个副标准燃料混合物的十六烷值相差不大于5个单位）。采取与燃料试样和前一个副标准燃料混合物同样的调整和测量步骤，记录得到的手轮读数。根据GB/T386-2010柴油十六烷值测定法中的测定步骤可以得到如下测定流

6、程图。图1十六烷值的测定流程图十六烷值的计算试样的十六烷值按式(1)计算：CN=CN+(CNCN)(aa)/(aa)(1)121121式中：CN试样的十六烷值；CN1号标准燃料的十六烷值；1CN2号标准燃料的十六烷值；2a样品二次测定手轮读数的算术平均值；a1号标准燃料二次测定手轮读数的算术平均值；1a2号标准燃料二次测定手轮读数的算术平均值。22识别和分析不确定度来源2.1初步分析根据该方法的测量步骤和数学模型我们可以看出，影响柴油十六烷值测量不确定度的主要因素包括标准燃料和调压缩比的手轮读数。据此我们可以画出初步的因果图。图2柴油十六烷值测量不确定度初步因果图2.2标准燃料和手轮读数引入的

7、不确定度来源分析该方法使用的副标准燃料为T-23和U-16。将两种副标准燃料按体积比用重量法配制成所需十六烷值的标准燃料混合物。标准燃料混合物的不确定度来自副标准燃料的十六烷值校准和标准燃料的混合过程。在称量过程中，称量的不确定度来自两个方面：天平校准产生的不确定度和天平称量的重复性带来的不确定度。称取物质时经两次独立称量(一次是皮重，一次是净重)。手轮读数的不确定度来自手轮读数的分辨率产生的不确定度和手轮读数的重复性带来的不确定度。因该方法是条件试验，进气温度的变化，燃料流速的变化，喷射定时和着火滞后期的波动都会对手轮读数产生影响。根据以上分析将因果图完善如下。重复性校准分辨率温度重复性着火

8、滞后期天平校准天平校准标准燃料們重复性喷油量重复性着火滞后期1喷射定时时分辨率温度重复性喷油量重复性手轮读数a手轮读数a标准燃料CN重复性校准喷射定时分辨率天平校准天平校准重复性喷射定时温度喷油量着火滞后期手轮读数a2图3因果图的进一步完善2.3随机效应（重复性）引入的不确定度来源分析随机效应（重复性）产生的不确定度包括了天平称量的重复性和手轮读数的重复性以及燃料流速，喷射定时，着火滞后期和进气温度等。它们对测量结果的影响都反映在测量重复性中。据此可画出最终的因果图。1卜六烷值图4最终因果图根据最终因果图确定，柴油十六烷值的测量不确定度主要有以下6个来源：（1）标准燃料混合物CN】产生的不确定

9、度；（2）标准燃料混合物CN产生的不确定度；（3）样品手轮读数a产生的不确定度；（4）标准燃料手轮读数产生的不确定度；（5）标准燃料手轮读数a2产生的不确定度；（6）随机效应(重复性)产生的不确定度。3不确定度分量的定量3.1随机效应(重复性)产生的不确定度ux本试验在重复性条件下，对轻柴油燃料十六烷值分别独立重复测量10次，测量结果见表1表1轻柴油燃料十六烷值测量数据及平均值、标准偏差样品测量次数及结果轻柴1油52.7352.6853.4652.8952.9752.7852.5353.35采用贝赛尔公式计算，将测量结果代入公式：S(xi)=(xi=1平均标准偏差S(xi)910值x52.66

10、53.2952.930.32-x)2/(n-1)，求出轻柴油十8六烷值平均值为52.93、单次测量的标准偏差S(x)=0.32。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52.93，则该测量结果的标准不确定度u=S(x.)=0.32xi3.2副标准燃料混合物产生的不确定度u和uCN1CN2天平校准：天平计量证书标明其线性为乜g,该不确定度为扩展不确定度服从均匀分布，因此其线性分量为2宁J3=1.16g。由于称量要经两次独立称量(皮重和净重)所以天平校准不确定度u=J1.162x2=1.64g,艮卩u=u=1.64g。mmTmu配制过程引起的不确定度：本次测量的轻柴

11、油十六烷值为52.9，需要配制的副标准燃料的十六烷值为CN=49.9和CN=54.5。副标准燃料混合物配制过程产生的不确定度来自副标准燃料的12十六烷值校准和称量产生的不确定度。由于十六烷值的测量是以副标准燃料来赋值，而且副标准燃料的纯度很高，因此，该副标准燃料校准产生的不确定度可以忽略。标准燃料混合物的十六烷值按式(2)计算。CN1CNtxVt+CNuxVuVT+VuCNTmx+CNPu厂T2)mm+UPT式中：CN=76.0，P=0.7888g/cm3；CN=19.4，P=0.7809g/cm3。TTuu要配制500ml十六烷值为49.9的副标准燃料混合物CN需用十六烷值为76.0的T燃料

12、212.5g(mT=212.5g)和十六烷值为19.4的U燃料180.1g(mu=180.1g)。由于密度是标准证书给的，比较准确因此密度引入标准不确定度可以忽略，CN1的相对标准不确定度为:uCN1CN1u2+u2,mTmu+immcnxT+cnxuTOUOVTT丿U2+u2mTmu(mm_t_+_UVPtpu丿、23)将已知数值代入式得到CN1的标准不确定度为:u=49.9xCN11.642+1.642+1.642+1.642_。巧249822+5002-同上配制500ml十六烷值为54.5的副标准燃料混合燃料CN2的不确定度为乙2=.253.3手轮读数分辨率产生的不确定度柑、uai和ua

13、2手轮读数的分辨率为0.5刻度，该不确定度为扩展不确定度服从均匀分布，因此其分辨率分量为0.5宁*3=0.29刻度。本次试验样品的平均手轮读数为a=1527，副标准燃料CN的平均手轮读数为a1500,CN的112平均手轮读数为a2=1541。每刻度手轮读数影响十六烷值的量为(54.549.9)/(15411500)=0.11。因此，手轮读数分辨率产生的不确定度为0.11x0.29=0.032。即u=u=u=0.032。aa1a23.4各不确定度分量的比较各分量汇总表及条形图见表2和图5表2十六烷值测定各不确定度分量的汇总表不确定度分量分量概述不确定度数值ua测试轻柴油手轮分辨率产生的不确定度0

14、.032ua1测试副标准燃料CN手轮分辨率产生的不确定度10.032ua2测试副标准燃料CN手轮分辨率产生的不确定度20.032u配置副标准燃料CN产生的不确定度0.23CN11u配置副标准燃料CN产生的不确定度0.25CN22ux随机效应/重复性)引起的不确定度0.32UxUcn2Ucn1Ua2Ua1Ua00.050.10.150.20.250.30.35图5十六烷值测定各不确定度分量描述条形图3.5合成标准不确定度ucru2+u2u2+u2u2+u2(CN-CN)(a一a)_,u2=u2+-CN2CN1+aa+a2cCN1(CN-CN)2(a-a)2(a-a)2a-ax21121210.2

15、52+0.2320.0322+0.03220.0322+0.0322(4.6)(27)二0.232+X2+0.322(4.6)2(27)2(41)241=0.204u=0.45c从表2和图5可以看出，重复性分量的值是其它分量的10倍左右，按照不确定度评定原则，其它分量可以忽略，则uc=ux=0.45,与上式的计算结果相同，而计算过程则大为简化。cx3.6扩展不确定度U取置信水平P=95%，扩展因子k=2，其扩展不确定度为：U=kxu=2x0.45=0.9c3.7结果报告十六烷值CN=52.90.94结论柴油十六烷值测定过程中的不确定度来源有：测试过程中随机效应导致的不确定度、副标准燃料配制过程产生的不确定度和调压缩比手轮读数产生的不确定度。其