醇類添加物對汽油替代物辛烷靈敏度的影響

摘 要：辛烷靈敏度（OS）定義為研究法辛烷值（RON）與馬達法辛烷值（MON）之差，對于表示燃料的抗爆性方面有著重要的作用。關于典型的、單一的碳氫化合物的辛烷靈敏度的研究已有很多，而對于多種燃料混合物的研究有待進一步深入。另一方面，考慮到含氧燃料的廣泛應用，對于將其添加到汽油中，從而研究其對汽油抗爆性的影響具有重要的實際意義。本文利用詳細的化學反應機理，通過數值分析法來研究含氧燃料的添加對汽油替代物OS的影響。本文的研究結果旨在為下一代汽油機的設計以及先進燃料的研發提供理論依據，從而提高發動機效率，提高燃油經濟性。

關鍵詞：辛烷靈敏度；研究法辛烷值；馬達法辛烷值；含氧燃料

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.08.034

0 引言

汽油機自誕生以來便在轉速、成本、工作平穩性、噪聲方面具有優勢，這使得其一直以來都是轎車、小型貨車、摩托車等的主要動力裝置。但是汽油機存在爆震燃燒問題，這會影響汽油機的效率。如果爆震長期存在，會破壞缸內構件、增加有害物排放、增加油耗等[1]。目前，減少汽油機爆震的方法，例如選擇合適的點火提前角、清理燃燒室內的積碳等。其中最主要的、應用最廣泛的方法是選擇抗爆性良好的燃料。抗爆性是一種重要的燃料性質，一般用研究法辛烷值（Research octane number，RON）與馬達法辛烷值（Motor octane number，MON）來表示。但隨著研究的深入，越來越多的結果表明直接用RON或MON來表示燃料的抗爆性不夠充分，而使用OI（Octane index）可以更好的表示抗爆性[2-3]，OI值越高，表示這個燃料的抗爆性越好。OI的定義為：OI=RON-K*OS，其中K是與發動機工況相關的一個常數，目前K一般為負值。OS（Octane sensitivity）表示辛烷靈敏度，數值上等于RON減去MON。因此，當兩個燃料的RON相同時，擁有較高OS的燃料具有較高的OI值，從而具有較好的抗爆性。所以為了提高汽油機的效率，減少爆震，對燃料OS的研究具有重要意義。本文通過詳細的化學機理，通過仿真軟件，用PRF90燃料（Primary reference fuel）作為汽油的替代物，來模擬研究汽油與醇類燃料混合后的OS變化規律，找到提高汽油燃料OS的方法。

1 模擬方法

1.1 OS的研究方法

由于OS定義為RON與MON之差，因此對OS的研究建立在對RON和MON的研究之上。將抗爆性差的正庚烷的辛烷值（ON）定義為0，而抗爆性好的異辛烷的ON定義為100。兩者按不同體積比混合后的一系列混合物為RON和MON的數值提供尺度。下文所用到的PRFX中，X表示PRF中異辛烷的體積分數，即為該PRF的辛烷值。例如，PRF80表示將異辛烷和正庚烷按體積比為80/20混合后的燃料，它的RON和MON都是80。根據這個定義，所有PRF的OS都為0。如果一個燃料在RON循環中得到的滯燃期與PRF80在RON循環中的滯燃期相同，那么這個燃料的RON即為80。同樣的，如果一個燃料的MON為70，則表示該燃料在MON循環中的滯燃期與PRF70相同。

本文使用Westbrook等人[4]提供的詳細化學反應機理，以及他們在一個特殊的單缸汽油機中獲得的RON和MON循環的壓力，來模擬所研究的燃料在實際發動機中RON循環和MON循環的熱力學狀態，通過Perfectly Stirred Reactor（PSR）模型從而計算得到燃料在RON和MON循環下的滯燃期。將兩種滯燃期分別與在兩種循環下的PRF滯燃期曲線進行對比，即可得到燃料的RON與MON。再用計算得到的RON減去MON，即為該燃料的OS。因為低碳醇類具有良好的抗爆性及少量的有害物排放，所以它們一直被當作汽油添加劑來改善汽油的性質，從而提高汽油機的工作性能。因此，本文選擇PRF90作為汽油替代燃料，選擇乙醇、正丙醇、正戊醇及異戊醇作為添加物，將他們按不同的摩爾比混合，通過模擬來研究醇類添加物對汽油OS的影響。

1.2 仿真及驗證

兩種仿真計算的當量比設定為1.1。由于在溫度500K以下時幾乎沒有反應發生，因此計算開始于500K之后。RON循環的初始溫度和壓力為501.86 K，3.1 bar，對應于上止點前的65.3度。相應的MON循環的初始溫度和壓力為502 K，2.09 bar，對應于上止點前的80.6度[4]。

圖1表示本文兩種模擬計算所使用的壓力曲線。需要指出的是，兩條壓力曲線都是由Westbrook等人[4]用E30燃料（將汽油和乙醇按體積比為70/30混合）在RON和MON兩種工況下測得的。

為了驗證所使用的方法是否可行，本文首先在RON和MON循環中計算了不同PRF的滯燃期，如圖2所示。圖2（a）、（b）中黑色實線表示PRF的滯燃期。圖2也列舉了其他種類燃料使用本方法計算得到的滯燃期，與其實驗得到的辛烷值的關系，在圖中以不同顏色及形狀的點來表示?？梢钥闯?，這些點大多圍繞在基準曲線周圍，而不是準確的位于基準曲線上。造成這種現象的原因可能是由于壓力曲線、化學反應機理或者RON及MON實驗中的誤差導致的。但是該誤差不大，在可以接受的范圍內。因此，本文的研究方法是可行的。

2 結果與分析

2.1 醇類燃料的主鏈鏈長對燃料OS的影響

圖3表示的是在PRF90中添加乙醇、正丙醇、正戊醇后的OS隨醇類燃料濃度變化的關系。從圖3中可以看出，在PRF90中添加三種醇類燃料都能明顯的提高其OS。從數值上看，當所添加的醇類濃度相同時，對PRF90的OS提高的效果由高到低為：乙醇>正丙醇>正戊醇。由此可以說明，對于PRF90這一汽油替代燃料，所添加的醇類的碳鏈鏈長越短，對提高OS的效果越好。換句話說，隨著碳鏈鏈長的增加，醇類燃料對提高PRF90的OS效果逐漸降低。這是由于隨著醇類分子中碳鏈鏈長的增加，分子中易發生反應的位置點增多，使得燃料在發動機循環中傾向于較早的發生化學反應。這其中的放熱反應會提高燃燒室溫度及壓力，縮短滯燃期，從而降低了燃料的抗爆性。

2.2 醇類燃料的分子結構對燃料OS的影響

從上一節可知，對于同一類含氧燃料而言，其分子的鏈長對提高汽油OS的效果會產生不同的影響。隨著鏈長的增加，含氧燃料對汽油OS的增強效果逐步降低。為了更進一步的了解鏈長與OS的規律，排除分子中元素個數對結果的影響，本節選擇擁有相同元素及個數但不同鏈長的正戊醇與異戊醇進行研究。由于支鏈的存在，異戊醇的主鏈上有4個碳原子，比正戊醇主鏈上的5個碳原子要少，使得異戊醇的主鏈鏈長比正戊醇的要短。

圖4表示的是PRF90/正戊醇及PRF90/異戊醇混合物的OS變化趨勢。由圖可以看出，隨著添加的醇類濃度增加，PRF90的OS值逐漸變大。當在PRF90中所加入的戊醇濃度相同時，異戊醇對提高PRF90的OS效果更好，PRF90/異戊醇混合后的OS要明顯高于PRF90/正戊醇混合物。這說明即使是擁有相同元素及個數的兩種同類型燃料，它們不同的分子結構也會使得他們具有不同的提高OS的效果。異戊醇的分子結構中，主鏈鏈長比直鏈的正戊醇要短，易發生反應的點較少，使其自身相較于正戊醇具有較好的抗爆性。當將這兩種戊醇添加到PRF90中時，鏈長較短的異戊醇對提高PRF90的OS的效果更好。由此進一步證明，隨著醇類碳鏈鏈長的增加，其對提高汽油OS的效果逐漸降低。

3 結論

本文利用詳細的化學反應機理，通過PSR反應器模型，模擬研究了醇類添加物對汽油辛烷靈敏度的影響。由研究的結果可以看出，醇類燃料對提高汽油的辛烷靈敏度有著明顯的作用。本文的主要結論有：

a. 在汽油替代物PRF90中添加C5及以下的醇類燃料能夠明顯的提高辛烷靈敏度。

b. 對于PRF90，所添加醇類的分子中主鏈上碳鏈越長，對提高其辛烷靈敏度的效果越差。

c. 對于直鏈醇類及其帶支鏈的同分異構體來說，后者對提高PRF90的辛烷靈敏度具有更好的效果。

參考文獻：

[1]Zhen X，Wang Y，Xu S，et al.The engine knock analysis-An overview[J].Applied Energy，2012，92（02）：628-636.

[2]Kalghatgi GT.Fuel Anti-knock Quality-Part I，Engine studies[J].SAE International Journal of Fuels & Lubricants. 2001，110.

[3]Kalghatgi GT.Fuel Anti-knock Quality-Part II，Vehicle Studies-How Relevant is Motor Octane Number （MON） in Modern Engines？[J].SAE International Journal of Fuels & Lubricants. 2001，110.

[4]Westbrook CK，Mehl M，Pitz WJ，et al.Chemical kinetics of octane sensitivity in a spark-ignition engine[J].Combustion & Flame，2016（175）：2-15.

作者簡介：夏笛（1994-），男，湖北紅安人，碩士，學生，研究方向：發動機、清潔燃燒。