*

(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(nèi)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(nèi)燃機應當向著更加節(jié)能和環(huán)保的方向發(fā)展。缸內(nèi)直噴汽油機(GDI)因其低排放和節(jié)能的優(yōu)勢，已成為車用汽油機一個重要的發(fā)展方向[1]。由于直接噴入汽缸燃料的霧化、蒸發(fā)吸熱作用使發(fā)動機的進氣得到冷卻，GDI發(fā)動機可以采用更大的壓縮比；然而，汽油的性質(zhì)決定發(fā)動機壓縮比只能局限于一定的限度內(nèi)，否則就會出現(xiàn)爆震，因此，缸內(nèi)直噴汽油機對其所燃用的汽油辛烷值要求較高。

根據(jù)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(jīng)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(jié)果表明，提高辛烷值，并同時提高發(fā)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(jié)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(fā)現(xiàn)，燃用過高辛烷值的汽油，不但對發(fā)動機沒有益處，還可能會導致發(fā)動機的燃油消耗率增加[8]。國內(nèi)針對辛烷值對汽油機影響的研究較少。綜合國內(nèi)外研究結(jié)果，可看出辛烷值對排性、動力性和經(jīng)濟性的影響規(guī)律還沒有一致結(jié)論[9]。因此，對缸內(nèi)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(nèi)直噴(T-GDI)汽油機動力性、經(jīng)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(shù)據(jù)。

1 試驗設備

1.1 試驗發(fā)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(fā)動機上進行，其基本參數(shù)如表1所示。該發(fā)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(fā)動機主要技術參數(shù)

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(jié)果的準確，切換油路后，發(fā)動機必須運轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)均在發(fā)動機工況穩(wěn)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(fā)動機冷卻水溫和機油溫度對測量結(jié)果的影響。

試驗所用發(fā)動機電子控制單元(ECU)為車用ECU，可以靈活準確地根據(jù)工況的改變對發(fā)動機的工作進行調(diào)節(jié)。通過外特性試驗研究辛烷值對發(fā)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(jīng)濟性和排放的影響。利用缸壓傳感器采集缸內(nèi)燃燒壓力數(shù)據(jù)，之后利用AVL公司INDICOM V2.4燃燒分析儀對缸壓數(shù)據(jù)進行計算處理。

試驗油品皆為特制調(diào)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(shù)如表3所示。

表3 試驗用油主要參數(shù)

2 試驗結(jié)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(fā)動機節(jié)氣門全開條件下，97號汽油IMEP大于95號汽油，在中低轉(zhuǎn)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(fā)動機上燃用高標號汽油能夠提高發(fā)動機的動力性，在中低轉(zhuǎn)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(fā)動機動力性能的影響，現(xiàn)對2 000 r/min和3 000 r/min的燃燒數(shù)據(jù)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(zhuǎn)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(fā)壓力降低，最高爆發(fā)壓力所對應的曲軸轉(zhuǎn)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(xù)期為累計放熱率5%～ 90%所經(jīng)歷的曲軸轉(zhuǎn)角。圖5為燃用不同辛烷值汽油時外特性點燃燒持續(xù)期。結(jié)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(zhuǎn)角推遲，后燃增加，燃燒速度減緩，燃燒持續(xù)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(zhuǎn)速時表現(xiàn)最為明顯。

圖5 燃用不同辛烷值汽油外特性點燃燒持續(xù)期

2.2 燃油經(jīng)濟性

通過負荷特性試驗，對比了發(fā)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(jīng)濟性,結(jié)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(zhuǎn)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(shù)據(jù)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(fā)壓力降低，最高爆發(fā)壓力所對應的曲軸轉(zhuǎn)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(xù)期。結(jié)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(xù)期變長，燃燒速率減緩，CA50對應曲軸轉(zhuǎn)角推遲，燃燒持續(xù)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(jīng)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(xù)期的影響

2.3 排放特性

通過負荷特性試驗，研究了發(fā)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(nèi)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(nèi)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(nèi)狹縫的存在、氣缸壁面的冷激效應以及缸內(nèi)潤滑油膜和沉積物吸附未燃混合氣中的燃油蒸氣[10]。結(jié)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(nèi)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(nèi)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(zhuǎn)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(qū)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(jié)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(jié)論

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

1)高辛烷值汽油可改善帶爆震控制系統(tǒng)的發(fā)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(jīng)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(zhuǎn)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(zhuǎn)速和負荷共同影響，低轉(zhuǎn)速時差別較小，中高轉(zhuǎn)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%。

[1]Xu M , Porter D, Daniels C， et al. Soft Spray Formation of a Low-Pressure High-Turbulence Fuel Injector for Direct Injection Gasoline Engines[C]// SAE Technical Paper Series. San Diego, California USA: Society of Automotive Engineers,2002-01-2746.

[2]沈義濤，汪建忠，帥石金，等. 辛烷值對汽油機性能的影響[J] .內(nèi)燃機工程，2008(5)：52-56.

[3]仇延生，李大東.我國車用汽油質(zhì)量淺析[J].汽車工程，2001(2):101-105.

[4]Kakegawa T. Further challenge in automobile and fuel technologies forbetter air quality[R].Tokyo, Japan:Hino Motors,2002.

[5]Sugaware Y,Akasaka Y,Kagami M.Effect of gasoline properties on acceleration performance of commercial vehicles[C]// SAE Technical Paper Series. Dearborn,Michigan USA: Society of Automotive Engineers, 971725.

[6]Kalghatgi G T. Fuel anti-knock quality-part I.engine studies[C]// SAE Technical Paper Series. San Antonio,Texas USA: Society of Automotive Engineers，2001-01- 3584.

[7]Kalghatgi G T . Fuel anti-knock quality-part II.Vehicle studies how relevant is motor octanen umber (MON) in modern engines [C]// SAE Technical Paper Series. San Antonio, Texas USA: Society of Automotive Engineers，2001-01-3585.

[8]Sayin C, Kilicaslan I, Canakci M, et al. An experimental study of the effect of octane number higher than engine requirement on the engine performance and emissions[J] .Applied Thermal Engineering,2005，25: 1315-1324.

[9]王志，楊俊偉，張志福，等. 缸內(nèi)直噴汽油機HCCI 燃燒對壓縮比和辛烷值的適應性研究[J]. 內(nèi)燃機工程，2007(6):11-15.

[10]趙作志.火花點火發(fā)動機排放污染物生成因素分析[J].西華大學學報:自然科學版,2000,19(3):4-9.