低压环境汽油辛烷值测定技术研究

夏 良

（上海神开石油仪器有限公司，上海 201114）

0 引言

汽油辛烷值是汽油在发动机中燃烧时抵抗爆震的能力，又称抗爆性，是指在标准试验条件下，把试样与已知辛烷值的标准燃料在标准爆震试验机上进行比较。若爆震强度相当，则试样的辛烷值就是标准燃料的辛烷值[1]。汽油在发动机中是被点燃的，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）。辛烷值越高，抗爆性就越好，发动机就可以有更高的压缩比，提升了发动机的功率，从而也提高了燃料的做功效率。

在标准范围内汽油辛烷值测定机只能在海拔低于2650 m、大气压高于71.1kPa的地区进行测定，且只能用研究法。如果要用马达法测定的话，只能在海拔低于2350 m、大气压高于74.5kPa的地区。然而在国内，有些城市的海拔高于2650 m，并且虽然在测定标准中对于海拔在1500 m～2650 m之间有一定的测定指导，但是实际测试结果普遍低于标准结果。因此，对低压环境下汽油辛烷值测定技术的研究，有助于高海拔区域油品质量的管控，有助于高海拔地区油品消费市场的和谐稳定，是一件非常有意义的事情。

1 测定设备的设计原理

低压环境汽油辛烷值测定技术的基本设计原理是：将一台标准汽油辛烷值测定机安装在可自动增压、控压、降压的仪器房内进行汽油辛烷值的测定试验[2-4]。在低压、高海拔地区，仪器房将试验环境的大气压提升至84kPa以上并保持所设定的大气压，同时将室内温度控制在20℃±5℃，湿度控制在50%～70%，采用直径为14.3mm（研究法）或19.1mm（马达法）文氏管，其余设备测试工况条件根据大气压在84kPa以上相对应的测定标准GB/T 5487-2015《汽油辛烷值的测定 研究法》或GB/T 503-2016《汽油辛烷值的测定 马达法》所规定的内插法或压缩比法进行。具体操作如下：操作人员进入增压仪器房（规定试验过程必须同时至少2名操作人员进入），关闭正压仪器门以每分钟低于4kPa（此数值可根据不同情况设定，但最大不能超过10kPa）的加压速率进行增压直至到达所设定试验大气压，同时测定机进行热机过程，室内温、湿度监测及控制与仪器房外值班监测室语音视频联系，约45min后进行测定试验。试验测定结束后，仪器房内以每分钟低于8kPa的降压速率进行减压直至与外部气压相同。具体基本设计原理如图1所示。

图1 测定设备的设计原理Fig.1 Design principle of the determinator

2 电气系统设计

2.1 总体框图

电气系统设计总体框图如图2所示，应用触摸工业电脑实现人机交互，采用RS-232与MCU进行通讯，对增压仪器房的增压、控压及温湿度等参数进行设定、显示、记录等。MCU通过信号线与气压检测器、闭门检测器、温度检测器、湿度检测器等连接，用于实时检测仪器房内的气压、温度、湿度等。MCU通过控制变频器、鼓风机、气压调节器来实现对仪器房气压的控制，同时通过气压报警器来判断仪器房气压是否处于设定范围；MCU通过闭门检测器来判断仪器房的正压仪器门和正压逃生门是否关闭，从而启动对仪器房的增压动作，通过温度检测器和湿度检测器来检测仪器房内的温度和湿度，为是否开启加热系统和除湿系统提供依据；室内监控器和通讯设备通过USB接口连接在触摸工业电脑上，触摸工业电脑、辛烷值测定系统及客户端服务器都通过网线与路由器连接，从而使得仪器房内的一切情况包括试验过程及结果等都可以通过网络来远程监控。

图2 电气系统设计总体框图Fig.2 Overall block diagram of electrical design

2.2 耐压仪器房结构布局的研究

耐压仪器房由增压缓冲室、增压工作室、非增压室3部分组成，整体框架为钢结构。增压缓冲室及增压工作室是两间分别独立的密闭房间，每间内部设计承压45 kPa，增压缓冲室设置有正压仪器门、泄压口、补压口及带有密封门的隔墙，其空间为增压工作室的1/5，是在试验过程中进出仪器房时的过渡房间，也是人员活动休息区域，期间的大气压力通过2组气压调节器进行自动调节；增压工作室设置有正压逃生门、增压管道、正压观察窗，是主要的试验操作区域；非增压室设置有增压区隔断、尾气排放管，用于放置鼓风机等设备。具体结构布局如图3所示。

图3 耐压仪器房结构布局图Fig.3 Structural layout of pressure-resistant instrument room

2.3 气压控制系统的研究

仪器房内的气压控制分为3个过程，即测定开始时的增压过程、测定过程中的控压过程、测定结束时的降压过程。增压过程为：打开触摸工业电脑进入操作界面，点击界面上的“增压”按钮，系统检测正压仪器门、正压逃生门是否关闭及当时气压，同时检测仪器房内温度和湿度。如达不到设定要求，提示操作人员打开控温设备或除湿器；如气压没有达到设定气压启动鼓风机对仪器房进行加压，并计算增压速率，控制气压调节器和鼓风机、变频器来实现增压速率低于每分钟4kPa。具体增压方式如图4所示。

图4 增压方式图Fig.4 Pressurization pattern

由于测定机在试验过程中需要消耗一定量的空气产生废气后排放出仪器房，因而需有控压过程。但鼓风机是持续的为仪器房提供空气，增压过程一直是进行的，控压过程的逻辑与增压过程一样，只是变频器输出变化的幅度要小许多。当测定结束后，需将仪器房内的压力恢复到与室外压力一样，因此需逐步降低变频器的输出来泄压，具体降压方式如图5所示。

图5 降压方式图Fig.5 Depressurization pattern

2.4 远程监控系统的研究

低压环境汽油辛烷值测定仪在试验过程中需对操作人员所待的区域进行气压改变（短时间内），对操作人员身体有一定影响，如缺氧或醉氧反应等。为了保障人员的安全，在系统中设计了远程监控系统，通过网线将增压控制系统、监控器、通讯设备、汽油辛烷值测定系统都连接到客户端服务器上，实现对仪器房内人员活动的观察，实时保持与内部人员的沟通，万一发生意外能及时采取救援；同时，也可对汽油辛烷值测定系统数据进行远程采集、对试验过程进行监测；在内部人员授权的情况下，可对气压控制系统进行远程控制，为试验过程无人化提供一种可能。

3 软件设计

在Win7操作系统下，测控系统采用上位触摸工业电脑加下位单片机形式，通讯协议采用Modbus编写。触摸工业电脑中的应用软件在Microsoft Visual Studio 2010设计环境下，应用C++语言编写来实现人机交流。单片机在MPLAB设计环境下，采用C语言编写来实现对设备的控制。

3.1 上位机软件设计

应用软件采用模块化设计，包括实验室信息管理系统（LIMS）及远程监控模块，它们是基于网口或无线局域网实现远端通讯，实现对测定仪试验数据的收集、分析、报告、打印及管理[5]，实时观察人员活动、设备工况的远程监测及诊断，远端控制仪器房的增压、控压、降压过程；数据打印模块有热敏打印和远端外接打印机打印；测定机工况监测模块，主要以动态波图形实时显示设备各个工作参数；数据库读写模块，采用Sqlite开源嵌入式轻型数据库[6-8]来存储试验结果及一些测定仪工况参数；参数配置读写模块用于读写测定仪配置数据，如温度、压力、气缸位置的标定数据、进气温控PID参数、混合气温控PID参数等，文件以ini文件存储；中外文加载模块采用加载外部ini文件来实现中外文的切换；限幅滤波平均算法模块是针对最大爆震数据的采集而进行的滤波算法。

3.2 下位机程序设计

单片机程序在主循环及各个中断中运行，用于各种信号的采样、算法执行、数据处理及各种执行单元的控制。设计框图如图6所示。系统初始化是指MCU的各个IO引脚、定时器、A/D转换、直接存储器、通用异步收发器等进行初始设置。测定仪工况信息采样主要是对进气温度、混合气温度、润滑油温度、内循环冷却水套温度、外循环冷却水温度、试验环境温度通过PT100传感器进行采集，对发动机管路中润滑油压力、曲轴箱负压、试验环境大气压通过压力传感器进行采集。PID温控算法是对加热器输出功率进行控制来实现进气温度、混合气温度、润滑油温度的试验要求。数据传输是应用MCU的UART模块接收上位机的命令，解析后执行并反馈相应信息。信号瞬间捕获是获取各个信号中断的时间点，如点火、相位等信号，计算出各个信号之间的角度差或时间差，从而获得点火提前角试验条件参数。信号执行是对执行元件的控制，如对气压调节器、鼓风机频率的控制来实现试验环境大气压的控制，对压缩比电机的控制来实现活塞位置的自动改变，对火花塞高压包的控制来实现点火时间点的控制及调整。

图6 下位机程序设计框图Fig.6 The frame of slave machine design

4 测试数据分析

低压环境汽油辛烷值测定仪完成后，在西藏拉萨地区用研究法的内插法进行了在增压情况下（试验环境大气压84kPa）和不增压情况下（试验环境大气压65kPa）分别以93.4、96.9两种甲标对测定仪进行标定后测定92汽油和95汽油的试验对比。在增压情况下，92、95汽油的测定结果准确，且在重复性上符合标准见表1。测定仪在同样甲苯标定下，92、95汽油测定结果与低海拔地区标准辛烷值测定机的测定结果相比较，在再现性上同样符合标准要求，不增压情况下测定结果比实际结果低1～2个辛烷值且在再现性上是不符合标准要求的（见表2）。

表1 油样评定的重复性Table 1 Repeatability of oil sample evaluation

表2 油样评定的再现性Table 2 Reproducibility of oil sample evaluation

5 结束语

低压环境汽油辛烷值测定仪在海拔约为3600 m的拉萨地区，通过将试验环境大气压提升至84kPa后，再根据标准所规定的试验条件要求，分别对油样92汽油、95汽油进行测定，其测定结果准确且重复性和再现性完全符合GB/T5487-2015、ASTM D2699-15a相关标准。