不同辛烷值汽油對增壓直噴汽油機影響的研究

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(1.西華大學交通與汽車工程學院，四川 成都 610039；2.中國汽車技術研究中心，天津 300300；3. 天津大學內燃機燃燒學國家重點實驗室，天津 300072)

隨著汽車保有量的增加，對燃料的需求不斷增長，能源供需的緊張狀況變得越來越嚴重，因此內燃機應當向著更加節能和環保的方向發展。缸內直噴汽油機(GDI)因其低排放和節能的優勢，已成為車用汽油機一個重要的發展方向[1]。由于直接噴入汽缸燃料的霧化、蒸發吸熱作用使發動機的進氣得到冷卻，GDI發動機可以采用更大的壓縮比；然而，汽油的性質決定發動機壓縮比只能局限于一定的限度內，否則就會出現爆震，因此，缸內直噴汽油機對其所燃用的汽油辛烷值要求較高。

根據測試方法的不同，辛烷值分為研究法辛烷值( RON )和馬達法辛烷值(MON)。世界各國由于汽油煉制工藝不同，其汽油組分不一樣，汽油辛烷值也不盡相同[2]。例如：歐洲以催化重整為主，汽油中芳烴含量高， 因此其辛烷值較高；美國和日本則以催化重整與催化裂化為主，辛烷值相對較低；我國以催化裂化為主,烯烴含量較高，車用汽油最低研究法辛烷值要求為90， 與美國和日本接近[3]。

國外針對辛烷值的研究主要集中在動力性和燃油經濟性這2方面，對排放的研究相對較少[4-8]。日本清潔空氣項目(JCAP)研究結果表明，提高辛烷值，并同時提高發動機壓縮比， 可降低油耗3% ～ 4%[4]。日本JOMO公司通過加速工況法研究了辛烷值對車輛性能的影響，車輛所要求辛烷值約為95，結果表明RON 高于95 后對加速性和排放都沒有影響， 但低于90 后加速性降低，THC、CO 排放上升[5]。也有研究發現，燃用過高辛烷值的汽油，不但對發動機沒有益處，還可能會導致發動機的燃油消耗率增加[8]。國內針對辛烷值對汽油機影響的研究較少。綜合國內外研究結果，可看出辛烷值對排性、動力性和經濟性的影響規律還沒有一致結論[9]。因此，對缸內直噴汽油機燃用不同辛烷值汽油進行研究具有重要意義。本文著重研究了辛烷值對渦輪增壓缸內直噴(T-GDI)汽油機動力性、經濟性、排放的影響，為合理制定我國未來的汽油標準提供了理論和試驗數據。

1 試驗設備

1.1 試驗發動機與試驗臺架

試驗在一臺滿足國Ⅳ排放標準的直列四缸四沖程T-GDI發動機上進行，其基本參數如表1所示。該發動機配備了爆震傳感器，因此進行不同油品試驗時，ECU可以對點火提前角進行控制。

試驗臺架布局如圖1所示，2個油箱分別加注不同辛烷值汽油，試驗時通過閥門開閉改變油路。試驗臺架主要設備型號如表2所示。

表1 發動機主要技術參數

圖1 試驗臺架布局示意圖

設備名稱型號測功機AVL SCHNEIDER ELECTRIC POWER DRIVES INDV S33-411400-1BS-1油耗儀AVL7531CST (測量單元)AVL753CH (溫控單元)排放儀AVL AMA i60空燃比傳感器ETAS LA4缸壓傳感器Kistler 6117BFD16(火花塞式)電荷放大器Kistler 5018A 燃燒分析儀AVL INDICOM V2.4

1.2 試驗方法和試驗用油

試驗中，分別在2個獨立油箱加注不同辛烷值的汽油，通過閥門開閉切換油路。為保證試驗結果的準確，切換油路后，發動機必須運轉30 min，消耗油路中舊油，使其充滿新油后再開始試驗。試驗過程中，每組數據均在發動機工況穩定后平行測量3次。試驗過程中控制冷卻水溫在85±1 ℃之間，機油溫度在90±1 ℃之間，以消除發動機冷卻水溫和機油溫度對測量結果的影響。

試驗所用發動機電子控制單元(ECU)為車用ECU，可以靈活準確地根據工況的改變對發動機的工作進行調節。通過外特性試驗研究辛烷值對發動機動力性的影響，通過負荷特性試驗研究辛烷值在試驗工況下對燃油經濟性和排放的影響。利用缸壓傳感器采集缸內燃燒壓力數據，之后利用AVL公司INDICOM V2.4燃燒分析儀對缸壓數據進行計算處理。

試驗油品皆為特制調配的試驗用油，選用了95號和97號2種不同辛烷值，其主要參數如表3所示。

表3 試驗用油主要參數

2 試驗結果及分析

2.1 動力性

在試驗用汽油機上分別燃用95號和97號汽油，其外特性指示平均有效壓力(IMEP)曲線如圖2所示。

圖2 辛烷值對汽油機外特性指示平均有效壓力的影響

在發動機節氣門全開條件下，97號汽油IMEP大于95號汽油，在中低轉速時差值最為明顯。燃用97號汽油與95號汽油相比，1 000～1 250 r/min時，IMEP增幅為1.1%～1.6%；1 500～1 750 r/min與2 250 r/min至2 750 r/min時，增幅為2.0%～2.5%；2 000 r/min時，IMEP增幅最大，達到4.07%；3 000～5 600 r/min時，增幅為0.8%～1.4%。這說明在該發動機上燃用高標號汽油能夠提高發動機的動力性，在中低轉速最為明顯，最大扭矩點時增幅最大。

為深入分析辛烷值對發動機動力性能的影響，現對2 000 r/min和3 000 r/min的燃燒數據進行分析。圖3為辛烷值對汽油機外特性點火提前角的影響。

圖3 辛烷值對汽油機外特性點火提前角的影響

在外特性點上，97號汽油點火提前角明顯大于95號汽油。這是因為燃用低辛烷值汽油時，特別是在中低轉速大負荷，爆震傾向大，此時，爆震傳感器將信號反饋至ECU，ECU將點火提前角推遲。在1 750 r/min和2 000 r/min時點火提前角最大推遲了3 °CA。點火提前角的變化會帶來燃燒的改變。圖4 為燃用不同辛烷值汽油外特性點缸壓與放熱率曲線。

(a)n=2 000 r/min

(b)n=3 000 r/min

從圖3可以看出，2 000 r/min時，95號汽油點火提前角相對97號汽油延遲3 °CA，3 000 r/min時為1 °CA。圖4中，對于不同辛烷值汽油，隨著點火提前角的延遲，最高爆發壓力降低，最高爆發壓力所對應的曲軸轉角也向后推遲，而且這種趨勢隨著點火提前角延遲的增加逐漸變大。本文定義的燃燒持續期為累計放熱率5%～ 90%所經歷的曲軸轉角。圖5為燃用不同辛烷值汽油時外特性點燃燒持續期。結合圖4和圖5，可知95號汽油與97號汽油相比，隨著點火提前角的延遲，混合氣膨脹比降低，最高燃燒壓力點曲軸轉角推遲，后燃增加，燃燒速度減緩，燃燒持續期增加。同時，最大壓力點的推遲增加了燃料燃燒時的傳熱面面積，使傳熱損失增加，以上因素導致熱效率和燃燒等容度降低，最終導致動力性降低。高辛烷值汽油具有更好的動力性，在中等轉速時表現最為明顯。

圖5 燃用不同辛烷值汽油外特性點燃燒持續期

2.2 燃油經濟性

通過負荷特性試驗，對比了發動機燃用不同辛烷值汽油在2 000、3 000、5 600 r/min負荷特性時的經濟性,結果如圖6所示，其中BMEP為制動平均有效壓力。

圖6 辛烷值對汽油機負荷特性油耗率的影響

如圖6所示，在2 000、3 000和5 600 r/min時，97號汽油的燃油消耗率低于95號汽油。在2 000 r/min時，中低負荷，97號汽油與95號汽油相比，油耗率降低1.1%～2.8%，大負荷時，降幅為1.0%～1.1%；3 000 r/min時，在中低負荷，97號汽油與95號汽油相比，油耗率降低1.5%～2.7%，大負荷時，降幅為1.0%；5 600 r/min時，在中低負荷，97號汽油與95號汽油相比油耗率降低1.0%～2.1%，大負荷時，降幅為0.4%～0.6%：由此可知，與95號汽油相比，97號汽油油耗率在中等負荷時降幅較大，而低負荷和高負荷的降幅都較小。圖7為辛烷值對汽油機3 000 r/min負荷特性點火提前角的影響。

圖7 辛烷值對汽油機3 000 r/min負荷特性點火提前角的影響

選定轉速為3 000 r/min，制動平均有效壓力(BMEP)為0.3、0.9、1.5 MPa的燃燒數據進行分析。由圖7可知，隨著負荷增大，點火提前角呈減小趨勢，且95號汽油點火提前角小于97號汽油，隨負荷的增加，點火提前角延遲逐漸變大。圖8為燃用不同辛烷值汽油3 000 r/min負荷特性缸壓與放熱率曲線。

(a)n=3 000 r/min，BMEP=0.3 MPa

(b)n=3 000 r/min，BMEP=0.9 MPa

(c)n=3 000 r/min，BMEP=1.5 MPa

從圖8可以看出，對于不同辛烷值汽油，隨著點火提前角的延遲，最高爆發壓力降低，最高爆發壓力所對應的曲軸轉角也向后推遲，且這種趨勢隨著點火提前角延遲的增加逐漸變大。圖9為燃用不同辛烷值汽油3 000 r/min負荷特性燃燒持續期。結合圖8和圖9,可知95號汽油與97號汽油相比，點火推遲后，燃燒持續期變長，燃燒速率減緩，CA50對應曲軸轉角推遲，燃燒持續期縮短導致熱效率和燃燒等容度降低，最終導致95號汽油燃油經濟性惡化。

圖9 辛烷值對汽油機3 000 r/min負荷特性燃燒持續期的影響

2.3 排放特性

通過負荷特性試驗，研究了發動機在2 000、3 000、5 600 r/min時燃用不同辛烷值汽油的NOx、THC 和CO 排放。

2.3.1 辛烷值對CO排放的影響

辛烷值對汽油機負荷特性CO排放的影響如圖10所示。

圖10 辛烷值對汽油機負荷特性CO 排放的影響

如圖10所示，在2 000、3 000、5 600 r/min時，95號汽油CO排放都低于97號汽油。在中低負荷，2種汽油CO排放差別不大，而在大負荷時，隨辛烷值升高，CO排放增加。95號汽油與97號汽油相比，3 000 r/min時，最大降幅為5.6%，3 000 r/min時最大降幅為6.4%，5 600 r/min時最大降幅為7.8%。

圖11為燃用不同辛烷值汽油，在2 000、3 000、5 600 r/min，BMEP為1.7MPa時缸內平均溫度曲線，可知大負荷時，95號汽油的點火提前角推遲，燃燒相位靠后，提高了膨脹和排氣過程中的燃氣溫度，使CO在缸內和排氣管中的氧化速率提高，從而使CO排放降低。

(a)n=2 000 r/min，BMEP=1.7 MPa

(b)n=3 000 r/min，BMEP=1.7 MPa

(c)n=5 600 r/min，BMEP=1.7 MPa

2.3.2 辛烷值對THC排放的影響

辛烷值對汽油機負荷特性THC排放的影響如圖12所示。

圖12 辛烷值對汽油機負荷特性THC排放的影響

由圖12可知，和CO的排放情況類似，2 000、3 000、5 600 r/min時，95號汽油THC排放都低于97號汽油。在中低負荷，2種汽油THC排放差別不大，而在大負荷時，隨辛烷值升高，THC排放增加。95號汽油與97號汽油相比，2 000 r/min時，最大降幅為8.3%，3 000 r/min時最大降幅為7.3%，5 600 r/min時最大降幅為7.2%。

汽油機THC生成的主要原因是缸內狹縫的存在、氣缸壁面的冷激效應以及缸內潤滑油膜和沉積物吸附未燃混合氣中的燃油蒸氣[10]。結合圖11，95號汽油在大負荷時的點火提前角被推遲，推遲點火降低了缸內氣體的壓力和混合氣燃燒時的燃燒室面積，增加了膨脹和排氣過程中已燃氣體的溫度，使膨脹和排氣過程中燃氣溫度升高，促進未燃碳氫在缸內和排氣管中的氧化，使THC排放降低。

2.3.3 辛烷值對NOx排放的影響

辛烷值對汽油機負荷特性NOx排放的影響如圖13所示。

圖13 辛烷值對汽油機負荷特性NOx排放的影響

如圖13所示，95號汽油NOx排放低于97號汽油，隨著轉速的升高，降幅越大。在2000 r/min時，95號汽油NOx排放略低于97號汽油，最大降幅為2%。在3 000 r/min和5 600 r/min時，在低負荷區域，95號汽油NOx排放略低于97號汽油，降幅為3%。隨著負荷增大，降幅逐漸增加，3 000 r/min時，最大降幅為7.2%，5 600 r/min時，最大降幅為9.3%。

究其原因，還是因為95號汽油在大負荷時的點火提前角推遲。結合圖11，減小點火提前角使最高燃燒溫度降低，同時減小了NOx在高溫時的生成時間，從而使NOx生成減少。

綜上所述，95號汽油THC、CO和NOx排放低于97號汽油，燃用低辛烷值汽油能夠改善排放。

3 結論

在使用車用ECU的渦輪增壓缸內直噴汽油機上燃用不同辛烷值汽油，可以得到以下結論。

1)高辛烷值汽油可改善帶爆震控制系統的發動機的動力性，2 000 r/min外特性時97 號汽油的扭矩相對于95號汽油IMEP最大升幅達4.07%。

2)燃用高辛烷值汽油能夠改善燃油經濟性，中等負荷時降幅較大，而低負荷和高負荷的降幅都較小，2 000 r/min、0.9 MPa時最大降幅達2.8%。

3)燃用高辛烷值汽油對降低THC、CO 和NOx排放不利,不過其影響程度隨轉速和負荷的不同而存在差別。THC和CO排放在低負荷時差別不大，隨負荷增大而顯著增加；NOx排放受轉速和負荷共同影響，低轉速時差別較小，中高轉速時隨負荷增大NOx排放明顯增加。95號汽油相對于97號汽油,其CO排放最大降幅約為7.8%，其THC排放最大降幅為8.3%，其NOx排放最大降幅為9.3%。

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