测试方法开发的最新进展，以及用于测试柴油的仪器

柴油是为美国经济提供动力的重要贡献者，运输着美国80%以上的货物，全世界90%以上的货物。美国生产和消费的大部分柴油燃料都是在炼油厂从原油中提炼出来的。美国炼油厂平均每42加仑的原油生产11到12加仑的柴油。2020年，美国运输部门的蒸馏燃料消费量约为446.1亿加仑，平均每天约为1.22亿加仑。这一数字占美国馏分油总消费量的77%，占美国石油总消费量的16%，按能源含量计算，约占美国交通运输部门总能源消费量的27%。由于商业、环境、质量、加工和安全法规，必须执行大量的规范和相关的测试方法来验证柴油的质量。这些测试方法包括十六烷等级、闪点、悬浮水、颗粒污染值、蒸馏温度、氧化和储存稳定性等测试。近年来，新的设备和仪器提供了易于使用和具有成本效益的方法来测试柴油的重要性能和安全性能。

每种柴油都有十六烷等级，代表该特定燃料的质量和性能。十六烷是一种天然存在于柴油中的化合物，在加热空气的压缩下很容易点燃。由于十六烷的高可燃性，柴油十六烷等级是评价燃料燃烧质量[4]的行业标准措施。随着低净碳生物燃料取代石油基超低硫柴油(ULSD)成为缓解全球气候变化潜在影响的必要条件，如果这些新混合物导致传统柴油燃烧过程的燃烧阶段发生重大变化，特别是点火延迟[5]，则可能会出现问题。十六烷数(CN)是最常规和普遍接受的点火质量测量，有助于评估燃料的预期点火延迟。另外，还开发了其他几种基于等体积燃烧室的十六烷评级装置，以等效的衍生十六烷数(DCN)或指示十六烷数(ICN)[6]对燃料进行评级。ASTM D6890测试方法[7]定义并确定了为DCN产生的测量。点火延迟是指在21atm和830 K左右喷射液体燃料后的压力恢复时间，在点火质量测试仪中测量，然后转化为DCN。这种测量方法比CN测试方法D613[8]需要更少的燃料。ASTM D8183[9]测试方法包括定量测定含有CN改进剂添加剂的不同柴油的ICN，方法是利用定容燃烧室直接将燃料喷射到加热的压缩空气中。 ICN is determined directly from ignition delay using an instrument-specific reference fuel calibration curve. The ADA5000 Automatic Distillation Analyzer by Koehler Instruments (Figure 1) calculates the cetane index for estimating ASTM D4737 cetane number where a test engine is not available for determining this properly [10,11]. Higher cetane number fuels tend to lessen combustion noise, increase engine efficiency, increase power output, start more easily, reduce exhaust smoke, and reduce exhaust odor.

图1:克勒仪器[10]的ADA5000自动蒸馏分析仪。
燃料的闪点往往与其性能没有显著关系。自燃温度不受闪点变化的影响，但指定闪点主要是为了运输、储存和处理期间的安全。低闪点燃料可能有火灾危险，受到闪烁，并可能持续点火和爆炸[12]。克勒仪器的自动彭斯基-马丁闭式杯闪点测试仪(图2)代表了新一代技术与传统高质量[13]的完美结合。该分析仪符合ASTM D93和不同石油产品闪点测定的相关规范，如柴油[14]。一项实验揭示了闪点对高海拔地区气压降低的依赖性，该实验在青藏高原6个不同海拔进行了一系列野外闪点测定。在这项工作中遵循的ASTM D93标准，即关闭杯法，由于关闭杯法给出的值低于打开杯法。液体燃料样品在铜杯中按规定速率加热，在样品表面上方10- 14mm处设置规定强度的点火源，点燃蒸汽-空气混合物。闪络发生并通过蒸汽-空气混合物传播到液体表面的温度作为该样品的闪点。在闭杯方法中，铜杯上有一个盖子，盖子上有一个百叶窗，燃料蒸汽积聚在杯中，直到百叶窗打开点火，因此杯中的燃料蒸汽比开杯方法更容易达到其较低的可燃性极限。 The results of the field determinations indicate that flashpoints of liquid fuels decrease nonlinearly with the reduced pressure at high altitudes, and the influence of atmospheric pressure on flashpoints is strengthened with the increasing of altitudes. Compared with the field-determined flashpoint temperatures, the predictive accuracy of the two methods is similar, and both methods give more accurate predictive flashpoints than the linear relationship. The higher the flashpoint, the safer the material is to handle [16], noting the dependence upon the pressure in the air which can change the flashpoint.

图2:克勒仪器[13]生产的彭斯基-马丁闭口杯闪点测试仪。
颗粒计数是一种较新的燃料清洁度测试方法，其中颗粒测量技术用于控制液体的清洁度，并识别质量缺陷和潜在的过度磨损，以避免最终昂贵的机器故障。性能差和部件故障更可能与燃料状况有关，而不是机械疲劳。颗粒计数器操作简单，并提供即时的结果。他们测量和计数颗粒，以尺寸带显示结果，以颗粒/ml和ISO 4406清洁度代码[18]为单位给出颗粒分布的快照。ASTM D975柴油标准规范[19]中提到的清洁度规范强调使用颗粒计数作为测试已储存较长时间的柴油降解的方法。ASTM测试方法D7619是一种可用于中间馏分燃料(包括柴油和生物柴油)颗粒计数的方法，其范围为[20]。一项研究报告了根据ASTM D7619[21]确定的不同尺寸范围的磨料颗粒对柴油污染的结果。柴油的纯度是一个关键问题，面对现代喷射系统在非常高的压力下工作，非常精确地安装配套部件。在如此高的压力和温度下，由于柴油中存在细小、坚硬的研磨颗粒，喷油器会受到磨粒磨损。根据所进行的测试结果，可以得出结论，在单个尺寸范围内颗粒数量的超标并不总是与金属纸浆中杂质的含量有关，但它们可能是导致精密燃油喷射系统损坏的因素之一。
随着合成燃料和生物燃料的使用增加，以及采用高压喷油器的现代发动机的引入，雾霾和颗粒材料自由的测量正成为一个越来越重要的产品规格，必须在严格的标准[22]范围内进行测量。ASTM D8148标准测试方法涵盖了一种光谱法程序，用于确定液体中馏分燃料(包括与合成碳氢化合物或生物燃料混合的燃料)中悬浮水和颗粒污染物(称为雾霾)的水平[23,24]。该方法生成一个从1到6的序数、整数、仪器雾霾等级(IHR)和一个从50.0到100.0的雾霾清晰度指数(HCl)。盐酸可以用来评估雾霾强度的变化，其程度比视觉检查程序所能达到的要精细得多。新的ASTM测试方法D8148提供了快速，精确，可靠的雾度和清晰度测定测量能力，用于当今苛刻的基于石油的过程控制和产品质量保证应用[25]。Clarity Choice hz(图3)由Choice Analytical公司开发，是一种紧凑轻便的分析仪，可以在105秒内轻松测量石油产品的雾度和透明度，符合ASTM D8148标准。获得ASTM方法的成果是测量雾霾和颜色的新技术和设备持续增长的重要一步。
图3:一名实验室技术人员参加了最近的ILS，以建立雾霾清晰度指数(HCI)的可重复性，作为D8148的一部分，使用Clarity Choice hz[25]。
众所周知，如果生物柴油泄漏或排放到环境中，其纯的、未混合的形式造成的损害比石油柴油小得多。随着延长或取代用于越野车和静态发动机燃料的矿物柴油和汽油的努力，脂肪酸甲酯(FAME)(生物柴油[26]的通用化学术语)的生产和使用有所增加。生物基润滑剂制造商的目标是开发在关键领域(如抗氧化和低温性能)具有可靠性能的坚固产品。多年来，ransimat是测量FAME和FAME/柴油混合物氧化稳定性的唯一标准化方法。但该方法不适用于纯常规石油产品，因此不能直接评价FAME对柴油稳定性的影响。快速小规模氧化测试(RSSOT): ASTM D7545标准测试方法可用于此目的，它涵盖了对中间馏分燃料(如柴油燃料)稳定性的定量测定，最高可达100%生物柴油，
(27、28)。
柴油是一种蒸馏燃料，从石油中提取碳氢化合物的混合物，这决定了它的挥发性，密度和粘度。核磁共振波谱已经广泛应用于燃料工业，用于确定燃料的性质和化学成分;然而，由于这些光谱仪所需的费用和尺寸，一个更经济、更可靠的解决方案是有利的。精细烃分析(DHA)广泛应用于石油工业，用于表征沸点高达225℃[29]的轻质石油馏分。这些应用符合ASTM方法D5134, D6729, D6730和D6733，这些方法使用单柱气相色谱法按结构对碳氢化合物成分进行分组[30,31,32,33]。DHA应用于石脑油、烷基油、重整油、重整油、异构油、汽油和压缩液体等石油流。这些流的DHA特征基于Kovats指数，并将成分和浓度分为五组，统称为PIANO:石蜡、异石蜡、芳烃、环烷和烯烃[29]。PIANO分析证明了在燃料中以重量%、体积%或摩尔浓度来鉴定和定量500到100种不同的碳氢化合物。最新的测定方法ASTM D8368用气相色谱-真空紫外吸收光谱检测(GC-VUV)测定柴油中饱和、芳香族、多芳香族和脂肪酸甲酯(FAME)含量的方法，刚刚完成了精度测试。
这些碳氢化合物中的许多无法在用于监管合规的传统扫描中被识别出来。从PIANO扫描中获得的碳氢化合物的几个比率可以发现，例如可以识别燃料等级的精炼比率。通过使用这种高质量的分析标准来了解燃料的化学成分是非常重要的，以确保气相色谱系统优化为DHA分析仪的适当性能。应利用这些标准进行例行质量保证检查，以发现任何需要维护的地方，包括何时更换设备。
随着美国经济的增长，对柴油的需求也在增长。柴油发动机为美国经济的15个关键部门提供动力，与其他任何燃料相比，柴油发动机在能量密度、燃油效率、功率和性能方面都表现出无与伦比的组合。使用适当的技术和方法来测试柴油可以帮助避免发动机故障，最大限度地减少进行昂贵的维修，并确保燃料的质量。由于美国环保署的规定，今天生产的柴油发动机比以往任何时候都更清洁，然而，考虑到柴油燃料对环境的影响以及它产生的排放对地面臭氧的产生仍然很重要。柴油燃料的未来取决于将排放量减少到接近于零，并以可承受的成本增加低碳可再生生物燃料的使用。

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