不同辛烷值汽油对增压直喷汽油机影响的研究

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(1.西华大学交通与汽车工程学院，四川 成都 610039；2.中国汽车技术研究中心，天津 300300；3. 天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室，天津 300072)

随着汽车保有量的增加，对燃料的需求不断增长，能源供需的紧张状况变得越来越严重，因此内燃机应当向着更加节能和环保的方向发展。缸内直喷汽油机(GDI)因其低排放和节能的优势，已成为车用汽油机一个重要的发展方向[1]。由于直接喷入汽缸燃料的雾化、蒸发吸热作用使发动机的进气得到冷却，GDI发动机可以采用更大的压缩比；然而，汽油的性质决定发动机压缩比只能局限于一定的限度内，否则就会出现爆震，因此，缸内直喷汽油机对其所燃用的汽油辛烷值要求较高。

根据测试方法的不同，辛烷值分为研究法辛烷值( RON )和马达法辛烷值(MON)。世界各国由于汽油炼制工艺不同，其汽油组分不一样，汽油辛烷值也不尽相同[2]。例如：欧洲以催化重整为主，汽油中芳烃含量高， 因此其辛烷值较高；美国和日本则以催化重整与催化裂化为主，辛烷值相对较低；我国以催化裂化为主,烯烃含量较高，车用汽油最低研究法辛烷值要求为90， 与美国和日本接近[3]。

国外针对辛烷值的研究主要集中在动力性和燃油经济性这2方面，对排放的研究相对较少[4-8]。日本清洁空气项目(JCAP)研究结果表明，提高辛烷值，并同时提高发动机压缩比， 可降低油耗3% ～ 4%[4]。日本JOMO公司通过加速工况法研究了辛烷值对车辆性能的影响，车辆所要求辛烷值约为95，结果表明RON 高于95 后对加速性和排放都没有影响， 但低于90 后加速性降低，THC、CO 排放上升[5]。也有研究发现，燃用过高辛烷值的汽油，不但对发动机没有益处，还可能会导致发动机的燃油消耗率增加[8]。国内针对辛烷值对汽油机影响的研究较少。综合国内外研究结果，可看出辛烷值对排性、动力性和经济性的影响规律还没有一致结论[9]。因此，对缸内直喷汽油机燃用不同辛烷值汽油进行研究具有重要意义。本文着重研究了辛烷值对涡轮增压缸内直喷(T-GDI)汽油机动力性、经济性、排放的影响，为合理制定我国未来的汽油标准提供了理论和试验数据。

1 试验设备

1.1 试验发动机与试验台架

试验在一台满足国Ⅳ排放标准的直列四缸四冲程T-GDI发动机上进行，其基本参数如表1所示。该发动机配备了爆震传感器，因此进行不同油品试验时，ECU可以对点火提前角进行控制。

试验台架布局如图1所示，2个油箱分别加注不同辛烷值汽油，试验时通过阀门开闭改变油路。试验台架主要设备型号如表2所示。

表1 发动机主要技术参数

图1 试验台架布局示意图

设备名称型号测功机AVL SCHNEIDER ELECTRIC POWER DRIVES INDV S33-411400-1BS-1油耗仪AVL7531CST (测量单元)AVL753CH (温控单元)排放仪AVL AMA i60空燃比传感器ETAS LA4缸压传感器Kistler 6117BFD16(火花塞式)电荷放大器Kistler 5018A 燃烧分析仪AVL INDICOM V2.4

1.2 试验方法和试验用油

试验中，分别在2个独立油箱加注不同辛烷值的汽油，通过阀门开闭切换油路。为保证试验结果的准确，切换油路后，发动机必须运转30 min，消耗油路中旧油，使其充满新油后再开始试验。试验过程中，每组数据均在发动机工况稳定后平行测量3次。试验过程中控制冷却水温在85±1 ℃之间，机油温度在90±1 ℃之间，以消除发动机冷却水温和机油温度对测量结果的影响。

试验所用发动机电子控制单元(ECU)为车用ECU，可以灵活准确地根据工况的改变对发动机的工作进行调节。通过外特性试验研究辛烷值对发动机动力性的影响，通过负荷特性试验研究辛烷值在试验工况下对燃油经济性和排放的影响。利用缸压传感器采集缸内燃烧压力数据，之后利用AVL公司INDICOM V2.4燃烧分析仪对缸压数据进行计算处理。

试验油品皆为特制调配的试验用油，选用了95号和97号2种不同辛烷值，其主要参数如表3所示。

表3 试验用油主要参数

2 试验结果及分析

2.1 动力性

在试验用汽油机上分别燃用95号和97号汽油，其外特性指示平均有效压力(IMEP)曲线如图2所示。

图2 辛烷值对汽油机外特性指示平均有效压力的影响

在发动机节气门全开条件下，97号汽油IMEP大于95号汽油，在中低转速时差值最为明显。燃用97号汽油与95号汽油相比，1 000～1 250 r/min时，IMEP增幅为1.1%～1.6%；1 500～1 750 r/min与2 250 r/min至2 750 r/min时，增幅为2.0%～2.5%；2 000 r/min时，IMEP增幅最大，达到4.07%；3 000～5 600 r/min时，增幅为0.8%～1.4%。这说明在该发动机上燃用高标号汽油能够提高发动机的动力性，在中低转速最为明显，最大扭矩点时增幅最大。

为深入分析辛烷值对发动机动力性能的影响，现对2 000 r/min和3 000 r/min的燃烧数据进行分析。图3为辛烷值对汽油机外特性点火提前角的影响。

图3 辛烷值对汽油机外特性点火提前角的影响

在外特性点上，97号汽油点火提前角明显大于95号汽油。这是因为燃用低辛烷值汽油时，特别是在中低转速大负荷，爆震倾向大，此时，爆震传感器将信号反馈至ECU，ECU将点火提前角推迟。在1 750 r/min和2 000 r/min时点火提前角最大推迟了3 °CA。点火提前角的变化会带来燃烧的改变。图4 为燃用不同辛烷值汽油外特性点缸压与放热率曲线。

(a)n=2 000 r/min

(b)n=3 000 r/min

从图3可以看出，2 000 r/min时，95号汽油点火提前角相对97号汽油延迟3 °CA，3 000 r/min时为1 °CA。图4中，对于不同辛烷值汽油，随着点火提前角的延迟，最高爆发压力降低，最高爆发压力所对应的曲轴转角也向后推迟，而且这种趋势随着点火提前角延迟的增加逐渐变大。本文定义的燃烧持续期为累计放热率5%～ 90%所经历的曲轴转角。图5为燃用不同辛烷值汽油时外特性点燃烧持续期。结合图4和图5，可知95号汽油与97号汽油相比，随着点火提前角的延迟，混合气膨胀比降低，最高燃烧压力点曲轴转角推迟，后燃增加，燃烧速度减缓，燃烧持续期增加。同时，最大压力点的推迟增加了燃料燃烧时的传热面面积，使传热损失增加，以上因素导致热效率和燃烧等容度降低，最终导致动力性降低。高辛烷值汽油具有更好的动力性，在中等转速时表现最为明显。

图5 燃用不同辛烷值汽油外特性点燃烧持续期

2.2 燃油经济性

通过负荷特性试验，对比了发动机燃用不同辛烷值汽油在2 000、3 000、5 600 r/min负荷特性时的经济性,结果如图6所示，其中BMEP为制动平均有效压力。

图6 辛烷值对汽油机负荷特性油耗率的影响

如图6所示，在2 000、3 000和5 600 r/min时，97号汽油的燃油消耗率低于95号汽油。在2 000 r/min时，中低负荷，97号汽油与95号汽油相比，油耗率降低1.1%～2.8%，大负荷时，降幅为1.0%～1.1%；3 000 r/min时，在中低负荷，97号汽油与95号汽油相比，油耗率降低1.5%～2.7%，大负荷时，降幅为1.0%；5 600 r/min时，在中低负荷，97号汽油与95号汽油相比油耗率降低1.0%～2.1%，大负荷时，降幅为0.4%～0.6%：由此可知，与95号汽油相比，97号汽油油耗率在中等负荷时降幅较大，而低负荷和高负荷的降幅都较小。图7为辛烷值对汽油机3 000 r/min负荷特性点火提前角的影响。

图7 辛烷值对汽油机3 000 r/min负荷特性点火提前角的影响

选定转速为3 000 r/min，制动平均有效压力(BMEP)为0.3、0.9、1.5 MPa的燃烧数据进行分析。由图7可知，随着负荷增大，点火提前角呈减小趋势，且95号汽油点火提前角小于97号汽油，随负荷的增加，点火提前角延迟逐渐变大。图8为燃用不同辛烷值汽油3 000 r/min负荷特性缸压与放热率曲线。

(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

从图8可以看出，对于不同辛烷值汽油，随着点火提前角的延迟，最高爆发压力降低，最高爆发压力所对应的曲轴转角也向后推迟，且这种趋势随着点火提前角延迟的增加逐渐变大。图9为燃用不同辛烷值汽油3 000 r/min负荷特性燃烧持续期。结合图8和图9,可知95号汽油与97号汽油相比，点火推迟后，燃烧持续期变长，燃烧速率减缓，CA50对应曲轴转角推迟，燃烧持续期缩短导致热效率和燃烧等容度降低，最终导致95号汽油燃油经济性恶化。

图9 辛烷值对汽油机3 000 r/min负荷特性燃烧持续期的影响

2.3 排放特性

通过负荷特性试验，研究了发动机在2 000、3 000、5 600 r/min时燃用不同辛烷值汽油的NOx、THC 和CO 排放。

2.3.1 辛烷值对CO排放的影响

辛烷值对汽油机负荷特性CO排放的影响如图10所示。

图10 辛烷值对汽油机负荷特性CO 排放的影响

如图10所示，在2 000、3 000、5 600 r/min时，95号汽油CO排放都低于97号汽油。在中低负荷，2种汽油CO排放差别不大，而在大负荷时，随辛烷值升高，CO排放增加。95号汽油与97号汽油相比，3 000 r/min时，最大降幅为5.6%，3 000 r/min时最大降幅为6.4%，5 600 r/min时最大降幅为7.8%。

图11为燃用不同辛烷值汽油，在2 000、3 000、5 600 r/min，BMEP为1.7MPa时缸内平均温度曲线，可知大负荷时，95号汽油的点火提前角推迟，燃烧相位靠后，提高了膨胀和排气过程中的燃气温度，使CO在缸内和排气管中的氧化速率提高，从而使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 辛烷值对THC排放的影响

辛烷值对汽油机负荷特性THC排放的影响如图12所示。

图12 辛烷值对汽油机负荷特性THC排放的影响

由图12可知，和CO的排放情况类似，2 000、3 000、5 600 r/min时，95号汽油THC排放都低于97号汽油。在中低负荷，2种汽油THC排放差别不大，而在大负荷时，随辛烷值升高，THC排放增加。95号汽油与97号汽油相比，2 000 r/min时，最大降幅为8.3%，3 000 r/min时最大降幅为7.3%，5 600 r/min时最大降幅为7.2%。

汽油机THC生成的主要原因是缸内狭缝的存在、气缸壁面的冷激效应以及缸内润滑油膜和沉积物吸附未燃混合气中的燃油蒸气[10]。结合图11，95号汽油在大负荷时的点火提前角被推迟，推迟点火降低了缸内气体的压力和混合气燃烧时的燃烧室面积，增加了膨胀和排气过程中已燃气体的温度，使膨胀和排气过程中燃气温度升高，促进未燃碳氢在缸内和排气管中的氧化，使THC排放降低。

2.3.3 辛烷值对NOx排放的影响

辛烷值对汽油机负荷特性NOx排放的影响如图13所示。

图13 辛烷值对汽油机负荷特性NOx排放的影响

如图13所示，95号汽油NOx排放低于97号汽油，随着转速的升高，降幅越大。在2000 r/min时，95号汽油NOx排放略低于97号汽油，最大降幅为2%。在3 000 r/min和5 600 r/min时，在低负荷区域，95号汽油NOx排放略低于97号汽油，降幅为3%。随着负荷增大，降幅逐渐增加，3 000 r/min时，最大降幅为7.2%，5 600 r/min时，最大降幅为9.3%。

究其原因，还是因为95号汽油在大负荷时的点火提前角推迟。结合图11，减小点火提前角使最高燃烧温度降低，同时减小了NOx在高温时的生成时间，从而使NOx生成减少。

综上所述，95号汽油THC、CO和NOx排放低于97号汽油，燃用低辛烷值汽油能够改善排放。

3 结论

在使用车用ECU的涡轮增压缸内直喷汽油机上燃用不同辛烷值汽油，可以得到以下结论。

1)高辛烷值汽油可改善带爆震控制系统的发动机的动力性，2 000 r/min外特性时97 号汽油的扭矩相对于95号汽油IMEP最大升幅达4.07%。

2)燃用高辛烷值汽油能够改善燃油经济性，中等负荷时降幅较大，而低负荷和高负荷的降幅都较小，2 000 r/min、0.9 MPa时最大降幅达2.8%。

3)燃用高辛烷值汽油对降低THC、CO 和NOx排放不利,不过其影响程度随转速和负荷的不同而存在差别。THC和CO排放在低负荷时差别不大，随负荷增大而显著增加；NOx排放受转速和负荷共同影响，低转速时差别较小，中高转速时随负荷增大NOx排放明显增加。95号汽油相对于97号汽油,其CO排放最大降幅约为7.8%，其THC排放最大降幅为8.3%，其NOx排放最大降幅为9.3%。

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