車用柴油餾程與其他項目的相關性分析

杜玉琦，張 潔，陳延達，許臘梅，戴光明，李緣良

(1 北京市產品質量監督檢驗院，北京 101300；2 國家汽車質量檢驗檢測中心(北京順義)，北京 101300；3 中國石油大學(北京)，北京 102212)

車用柴油作為燃料主要應用于重型載貨車輛、大型客用車輛，非道路工程機械等[1-2]。在車用柴油質量檢測方面，依據國家標準GB 19147-2016《車用柴油》，及各地地方標準的要求，檢測項目分為安全性能項目、環保性能項目和使用性能項目[3]。

車用柴油是由多種烴類化合物組成的一種混合物，油品在調和過程中會加入化工調和組分及添加劑用于調整油品的性能以滿足于車輛使用要求[4,5]。但是若加入劣質添加劑則不利于發動機工作，少部分油品雖符合國家標準要求，但不符合車輛使用要求，因此某些項目檢測數據的不正常，會導致汽車駕駛性能下降，損壞汽車發動機或產生更多的污染物造成油品“合格不好用”的情況發生。其中餾程檢測項目是體現車用柴油中輕質、重質組分比例的主要指標，還能夠判斷出車用柴油中是否混入輕質油(如汽油、石腦油)、潤滑油及非常規添加物[6]。我們積累的大量數據發現，餾程數據與車用柴油的部分其他試驗項目數據息息相關，尤其是與柴油組分相關的項目，例如密度、閃點、運動黏度和潤滑性等[7]。

為了對餾程和其他項目之間的關聯性有深刻的認識，且對車用油品檢測項目的意義加深理解，本論文以實驗室大量試驗數據為基礎，找出餾程數據可疑的兩組柴油樣本及常規柴油樣本三組，測定其相關項目，通過分析其他項目試驗數據和餾程數據之間的關系，進而得到在車用柴油的檢測項目中餾程與其他項目的相關性，以達到通過餾程數據對相關項目進行初步判斷的目的。

1 實 驗

1.1 儀器與設備

SYP003-IX石油產品運動黏度測定器；HERZOG OPTIFLASH全自動閉口閃點儀；HERZOG OPTIDIST全自動常壓蒸餾儀；WAUKESHA CFR F5十六烷值測定儀；DMA4500MU型振動管法密度計；CMS-01柴油潤滑性磨損試驗機；QP2010 U氣相色譜-質譜聯用儀。

1.2 試驗內容

1.2.1 項目介紹

餾程是用常壓蒸餾儀器，測量餾出溫度和餾出體積相對應的關系，并依據此對應關系做出固定點的記錄或者全過程曲線，即所測試樣的沸程，沸騰餾出全過程的溫度范圍[8]。餾程是評價車用燃料蒸發性能的重要檢測項目，既可明確車用燃料的沸點范圍，又可估算油品組分中輕質、重質組分的大概比例。

1.2.2 方法介紹

國內車用燃油餾程試驗方法主要有三類，第一類是儀器分析方法，包括氣相色譜法、近紅外光譜法、拉曼光譜法等。第二類是國家標準方法，GB/T 6536-2010《石油產品常壓蒸餾特性測定法》[9]，其內容包括兩種方式，一是手動儀器法、二是自動儀器法，兩種方法檢測原理相同，區別為自動儀器將體積、溫度的記錄改為自動記錄。第三類為近幾年發展較快的微量法餾程檢測[10,11]。本次研究所采用的方法為GB/T 6536-2010《石油產品常壓蒸餾特性測定法》中的自動儀器法。

2 結果與討論

依據標準方法對五組柴油樣本進行餾程試驗[12]，試驗數據見表1，表中系列1、2為數據可疑的兩組柴油樣本，系列3、4、5為常規的三組柴油樣本。

表1 餾出溫度試驗數據

為了進行直觀的對比，我們將餾程數據繪制成曲線如圖1所示。

圖1 車用柴油樣品中餾出溫度曲線圖

餾程試驗餾出溫度是指在餾出體積達到指定百分數或體積時溫度計的讀數；餾出溫度曲線圖可以完整的展現油品從初餾點至終餾點間油品溫度變化的趨勢。

柴油50%餾出溫度主要反映柴油的蒸發水平，表示柴油中輕餾分組成所占的比例。柴油50%回收溫度低，意味著柴油餾分輕組分偏多，柴油經過噴油嘴后的霧化效果良好，油滴和空氣充分接觸燃燒完全，蒸發和燃燒速度快，發動機易啟動。柴油餾分過輕對燃燒也有不利因素，餾分過輕柴油蒸發速度過快，在發動機混合氣數量過多，使發動機氣缸壓力急劇上升，造成滯燃期短,著火點提前,緩燃期縮短產生爆震[13]。

90%和95%的餾出溫度均考察重質餾分組分的含量，餾出溫度較低，則柴油重質餾分組分較少，霧化過程均勻，燃燒充分、穩定，提高燃燒性能。餾出溫度過高，則意味著重餾分偏多，蒸發速度過慢，造成噴射霧化不良，燃燒不完全，導致發動機功率下降，同樣也會增加耗油量。而且柴油在高溫下燃燒不完全，產生積炭，磨損增加，造成排氣帶黑煙，即大量顆粒物(PM)，造成環境污染。

由圖1可看出，在5組樣品中，系列1和系列2存在初餾點餾出溫度明顯偏低，直至70%餾出溫度仍然低于常規樣品，80%及以上餾出溫度趨于正常。

通過多組柴油餾程曲線的對比，系列1和系列2的餾程數據異常，因此我們對此兩組柴油樣品的其他項目進行了試驗，結合其他試驗數據，可以查看油品是否存在異常組分。試驗數據見表2。

表2 5組柴油樣本試驗數據統計分析表

由表2可以看出，系列1、2餾程可疑時，和其他三個樣本數據比對，閃點、密度和運動黏度等項目試驗結果存在明顯偏差。

依據以上結果，分析餾程和相關項目的關聯性。

2.1 閃點、密度

閃點是使用專用儀器在規定的加熱速率和攪拌速率條件下，加熱柴油樣品，當達到某一溫度時，蒸發的柴油蒸氣和空氣形成可燃混合氣體，此時接觸明火會出現短暫的閃火，將可形成閃火的最低溫度定義為油品的閃點。閃點是衡量油品爆炸性和著火危險性的指標，也是危險化學品判定的依據。

密度的大小可以表明柴油輕、重組分占比的整體平均值，在一定程度上了解油品的質量[20]。在油品運輸和使用過程中，通過密度可以了解是否混入了其他油品，也可通過密度大致了解蒸發損耗量。因此密度是油品性能的一個重要指標[21]。

由圖1可知，系列1、2兩組樣本70%之前餾程數據明顯偏低，可知輕質組分占比過大，也可認為存在不符合柴油要求的輕質組分。從表2中的數據可以看出，系列1、2樣本在室溫25 ℃條件下首次點火即閃火，不符合標準的適用范圍(高于 40 ℃)，但符合石油輕質組分閃點、燃點低的基本原理。閃點數據已經嚴重不符合標準的要求，過低的閃點也增加了儲存及使用過程中的危險性。而密度的數據也偏離標準要求較多，不符合車用柴油的密度要求下限。因此密度數據也可以佐證餾程數據和閃點數據偏低的原因是輕質組分比例過大。

2.2 運動黏度、潤滑性

柴油樣品具有黏性，當柴油在毛細管內流動時，緊貼管壁的流體將被黏附于管壁上，且柴油液體流動時還存在液體內摩擦力，所以管內各流體層將形成一定規律的速度分布[21]。潤滑性是模擬試驗，模擬發動機氣缸壁和活塞的高頻往復運動，通過測定高頻往復試驗(High-Frequency Reciprocating Rig)摩擦不銹鋼球和片的磨斑大小判定柴油潤滑性能[22]。

由表2可以看出，運動黏度數據雖然符合國家標準要求值2.0～8.0 mm2/s，但是接近于下限，與正常柴油的運動黏度數據偏差較大，導致柴油進入氣缸內霧化雖好，但發動機噴射角較大，與空氣混和不均勻，燃燒不完全形成積炭，降低燃燒效率，同時使噴油嘴、發動機活塞和缸壁等部件的潤滑性能變差。由于柴油發動機屬于壓燃式發動機，因此柴油需要有適當的黏度，少量的黏附于發動機缸壁，起到潤滑的作用，潤滑性試驗項目的意義也在于此。研究表明90%餾出溫度升高，即樣本中高沸點組分居多，相應的樣品磨斑直徑減少[23]。而從圖1中可以明顯看出，雖然系列1、2的曲線90%餾出溫度正常，但是和其他3組樣本比較，輕組分和重組分過渡較差，斜率明顯偏大。表3數據也可證明，磨損潤滑性的磨斑直徑偏高，接近標準要求的最大值460 μm。

另外，我們也從烴族組成的方面對五組柴油樣本進行了烴族組分試驗，試驗數據見表3所示。

表3 烴族組成試驗數據

續表3

參考已有的研究成果[24]，茚類含量與潤滑性結果成正相關，茚類含量越高潤滑性數值越高，代表潤滑性能越差。

綜合以上數據可知，柴油中輕質組分過多，中間組分不足的情況下不利于運動黏度的控制，同時也會影響柴油的潤滑性能。

2.3 十六烷值、十六烷指數

柴油的十六烷值(CN)表示發動機內柴油的著火性能和燃燒性能的優劣。十六烷指數(CI)是通過餾程數據，經四變量公式計算所得值，是沒有十六烷值測定機的情況下作為十六烷值的參考值。

輕組分混合到柴油中，增加小液滴并減少大液滴導致液滴尺寸減小，這是因為輕組分使燃料表面張力降低，而導致柴油液滴霧化效果變好但是不穩定性增加。另外會導致滯燃期越短，滯燃期過短導致初期放熱迅速集中，會增加NOx生成。同時柴油蒸發速度過快，在發動機混合氣數量過多，著火點提前，使發動機氣缸壓力急劇上升，緩燃期縮短，產生爆震[25]。從原理上講，輕組分增多可能導致十六烷值偏低，本研究也證明了這一點，如表3所示。

十六烷值指數作為十六烷值臺架試驗的參考值[26]，通過四變量公式計算得來，公式見(1)：

(1)

式中：T10N=T10-215T50N=T50-260T90N=T90-310

T10=樣本10%回收溫度T50=樣本50%回收溫度T90=樣本90%回收溫度；

B=[exp(-0.0035DN)]-1DN=D-850

式中：D為樣本的15 ℃密度。

由式(1)可知，當T10N，T50N數值過低，會導致CI結果偏低。參考表3中數據進行計算，得到表4中十六烷值指數結果，系列1、2樣本結果與其他3組柴油樣本的數據相比偏低。因此從試驗和理論兩方面證明了餾程試驗結果和十六烷值結果正相關。

3 結 論

通過餾程試驗數據的可疑結果，加以采取多項試驗數據的比對可知，餾程試驗結果偏低，會導致相關項目的試驗結果出現非正常值，比如密度偏低，潤滑性較差，運動黏度偏低，閃點偏低，十六烷值偏低等。本次研究可啟發我們，國家標準及地方標準中對餾程的要求值均只有上限，而在實際工作中，應注意較低的試驗結果，雖然符合相關標準要求，但是會反映出相關項目可能存在的問題。

另外，也可指導石油產品檢測實驗室及生產調和企業在車用柴油的試驗過程中，若發現其中某一項目實驗結果異常，即使該試驗結果符合相關標準，也有必要針對性的對相關項目進行檢查，以達到全面評價車用柴油樣品質量的目的。