不同辛烷值汽油對(duì)增壓直噴汽油機(jī)影響的研究

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(1.西華大學(xué)交通與汽車(chē)工程學(xué)院，四川 成都 610039；2.中國(guó)汽車(chē)技術(shù)研究中心，天津 300300；3. 天津大學(xué)內(nèi)燃機(jī)燃燒學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072)

隨著汽車(chē)保有量的增加，對(duì)燃料的需求不斷增長(zhǎng)，能源供需的緊張狀況變得越來(lái)越嚴(yán)重，因此內(nèi)燃機(jī)應(yīng)當(dāng)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(jī)(GDI)因其低排放和節(jié)能的優(yōu)勢(shì)，已成為車(chē)用汽油機(jī)一個(gè)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(dòng)機(jī)的進(jìn)氣得到冷卻，GDI發(fā)動(dòng)機(jī)可以采用更大的壓縮比；然而，汽油的性質(zhì)決定發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮比只能局限于一定的限度內(nèi)，否則就會(huì)出現(xiàn)爆震，因此，缸內(nèi)直噴汽油機(jī)對(duì)其所燃用的汽油辛烷值要求較高。

根據(jù)測(cè)試方法的不同，辛烷值分為研究法辛烷值( RON )和馬達(dá)法辛烷值(MON)。世界各國(guó)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(guó)和日本則以催化重整與催化裂化為主，辛烷值相對(duì)較低；我國(guó)以催化裂化為主,烯烴含量較高，車(chē)用汽油最低研究法辛烷值要求為90， 與美國(guó)和日本接近[3]。

國(guó)外針對(duì)辛烷值的研究主要集中在動(dòng)力性和燃油經(jīng)濟(jì)性這2方面，對(duì)排放的研究相對(duì)較少[4-8]。日本清潔空氣項(xiàng)目(JCAP)研究結(jié)果表明，提高辛烷值，并同時(shí)提高發(fā)動(dòng)機(jī)壓縮比， 可降低油耗3% ～ 4%[4]。日本JOMO公司通過(guò)加速工況法研究了辛烷值對(duì)車(chē)輛性能的影響，車(chē)輛所要求辛烷值約為95，結(jié)果表明RON 高于95 后對(duì)加速性和排放都沒(méi)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(guò)高辛烷值的汽油，不但對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)沒(méi)有益處，還可能會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油消耗率增加[8]。國(guó)內(nèi)針對(duì)辛烷值對(duì)汽油機(jī)影響的研究較少。綜合國(guó)內(nèi)外研究結(jié)果，可看出辛烷值對(duì)排性、動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性的影響規(guī)律還沒(méi)有一致結(jié)論[9]。因此，對(duì)缸內(nèi)直噴汽油機(jī)燃用不同辛烷值汽油進(jìn)行研究具有重要意義。本文著重研究了辛烷值對(duì)渦輪增壓缸內(nèi)直噴(T-GDI)汽油機(jī)動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、排放的影響，為合理制定我國(guó)未來(lái)的汽油標(biāo)準(zhǔn)提供了理論和試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

1 試驗(yàn)設(shè)備

1.1 試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)與試驗(yàn)臺(tái)架

試驗(yàn)在一臺(tái)滿(mǎn)足國(guó)Ⅳ排放標(biāo)準(zhǔn)的直列四缸四沖程T-GDI發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行，其基本參數(shù)如表1所示。該發(fā)動(dòng)機(jī)配備了爆震傳感器，因此進(jìn)行不同油品試驗(yàn)時(shí)，ECU可以對(duì)點(diǎn)火提前角進(jìn)行控制。

試驗(yàn)臺(tái)架布局如圖1所示，2個(gè)油箱分別加注不同辛烷值汽油，試驗(yàn)時(shí)通過(guò)閥門(mén)開(kāi)閉改變油路。試驗(yàn)臺(tái)架主要設(shè)備型號(hào)如表2所示。

表1 發(fā)動(dòng)機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

圖1 試驗(yàn)臺(tái)架布局示意圖

設(shè)備名稱(chēng)型號(hào)測(cè)功機(jī)AVL SCHNEIDER ELECTRIC POWER DRIVES INDV S33-411400-1BS-1油耗儀AVL7531CST (測(cè)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(yàn)方法和試驗(yàn)用油

試驗(yàn)中，分別在2個(gè)獨(dú)立油箱加注不同辛烷值的汽油，通過(guò)閥門(mén)開(kāi)閉切換油路。為保證試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確，切換油路后，發(fā)動(dòng)機(jī)必須運(yùn)轉(zhuǎn)30 min，消耗油路中舊油，使其充滿(mǎn)新油后再開(kāi)始試驗(yàn)。試驗(yàn)過(guò)程中，每組數(shù)據(jù)均在發(fā)動(dòng)機(jī)工況穩(wěn)定后平行測(cè)量3次。試驗(yàn)過(guò)程中控制冷卻水溫在85±1 ℃之間，機(jī)油溫度在90±1 ℃之間，以消除發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水溫和機(jī)油溫度對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。

試驗(yàn)所用發(fā)動(dòng)機(jī)電子控制單元(ECU)為車(chē)用ECU，可以靈活準(zhǔn)確地根據(jù)工況的改變對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的工作進(jìn)行調(diào)節(jié)。通過(guò)外特性試驗(yàn)研究辛烷值對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性的影響，通過(guò)負(fù)荷特性試驗(yàn)研究辛烷值在試驗(yàn)工況下對(duì)燃油經(jīng)濟(jì)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(duì)缸壓數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算處理。

試驗(yàn)油品皆為特制調(diào)配的試驗(yàn)用油，選用了95號(hào)和97號(hào)2種不同辛烷值，其主要參數(shù)如表3所示。

表3 試驗(yàn)用油主要參數(shù)

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 動(dòng)力性

在試驗(yàn)用汽油機(jī)上分別燃用95號(hào)和97號(hào)汽油，其外特性指示平均有效壓力(IMEP)曲線(xiàn)如圖2所示。

圖2 辛烷值對(duì)汽油機(jī)外特性指示平均有效壓力的影響

在發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)氣門(mén)全開(kāi)條件下，97號(hào)汽油IMEP大于95號(hào)汽油，在中低轉(zhuǎn)速時(shí)差值最為明顯。燃用97號(hào)汽油與95號(hào)汽油相比，1 000～1 250 r/min時(shí)，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(shí)，增幅為2.0%～2.5%；2 000 r/min時(shí)，IMEP增幅最大，達(dá)到4.07%；3 000～5 600 r/min時(shí)，增幅為0.8%～1.4%。這說(shuō)明在該發(fā)動(dòng)機(jī)上燃用高標(biāo)號(hào)汽油能夠提高發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性，在中低轉(zhuǎn)速最為明顯，最大扭矩點(diǎn)時(shí)增幅最大。

為深入分析辛烷值對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性能的影響，現(xiàn)對(duì)2 000 r/min和3 000 r/min的燃燒數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。圖3為辛烷值對(duì)汽油機(jī)外特性點(diǎn)火提前角的影響。

圖3 辛烷值對(duì)汽油機(jī)外特性點(diǎn)火提前角的影響

在外特性點(diǎn)上，97號(hào)汽油點(diǎn)火提前角明顯大于95號(hào)汽油。這是因?yàn)槿加玫托镣橹灯蜁r(shí)，特別是在中低轉(zhuǎn)速大負(fù)荷，爆震傾向大，此時(shí)，爆震傳感器將信號(hào)反饋至ECU，ECU將點(diǎn)火提前角推遲。在1 750 r/min和2 000 r/min時(shí)點(diǎn)火提前角最大推遲了3 °CA。點(diǎn)火提前角的變化會(huì)帶來(lái)燃燒的改變。圖4 為燃用不同辛烷值汽油外特性點(diǎn)缸壓與放熱率曲線(xiàn)。

(a)n=2 000 r/min

(b)n=3 000 r/min

從圖3可以看出，2 000 r/min時(shí)，95號(hào)汽油點(diǎn)火提前角相對(duì)97號(hào)汽油延遲3 °CA，3 000 r/min時(shí)為1 °CA。圖4中，對(duì)于不同辛烷值汽油，隨著點(diǎn)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(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角也向后推遲，而且這種趨勢(shì)隨著點(diǎn)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(jì)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(shí)外特性點(diǎn)燃燒持續(xù)期。結(jié)合圖4和圖5，可知95號(hào)汽油與97號(hào)汽油相比，隨著點(diǎn)火提前角的延遲，混合氣膨脹比降低，最高燃燒壓力點(diǎn)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(shí)，最大壓力點(diǎn)的推遲增加了燃料燃燒時(shí)的傳熱面面積，使傳熱損失增加，以上因素導(dǎo)致熱效率和燃燒等容度降低，最終導(dǎo)致動(dòng)力性降低。高辛烷值汽油具有更好的動(dòng)力性，在中等轉(zhuǎn)速時(shí)表現(xiàn)最為明顯。

圖5 燃用不同辛烷值汽油外特性點(diǎn)燃燒持續(xù)期

2.2 燃油經(jīng)濟(jì)性

通過(guò)負(fù)荷特性試驗(yàn)，對(duì)比了發(fā)動(dòng)機(jī)燃用不同辛烷值汽油在2 000、3 000、5 600 r/min負(fù)荷特性時(shí)的經(jīng)濟(jì)性,結(jié)果如圖6所示，其中BMEP為制動(dòng)平均有效壓力。

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

圖7 辛烷值對(duì)汽油機(jī)3 000 r/min負(fù)荷特性點(diǎn)火提前角的影響

選定轉(zhuǎn)速為3 000 r/min，制動(dòng)平均有效壓力(BMEP)為0.3、0.9、1.5 MPa的燃燒數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。由圖7可知，隨著負(fù)荷增大，點(diǎn)火提前角呈減小趨勢(shì)，且95號(hào)汽油點(diǎn)火提前角小于97號(hào)汽油，隨負(fù)荷的增加，點(diǎn)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(fù)荷特性缸壓與放熱率曲線(xiàn)。

(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(duì)于不同辛烷值汽油，隨著點(diǎn)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(duì)應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角也向后推遲，且這種趨勢(shì)隨著點(diǎn)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(fù)荷特性燃燒持續(xù)期。結(jié)合圖8和圖9,可知95號(hào)汽油與97號(hào)汽油相比，點(diǎn)火推遲后，燃燒持續(xù)期變長(zhǎng)，燃燒速率減緩，CA50對(duì)應(yīng)曲軸轉(zhuǎn)角推遲，燃燒持續(xù)期縮短導(dǎo)致熱效率和燃燒等容度降低，最終導(dǎo)致95號(hào)汽油燃油經(jīng)濟(jì)性惡化。

圖9 辛烷值對(duì)汽油機(jī)3 000 r/min負(fù)荷特性燃燒持續(xù)期的影響

2.3 排放特性

通過(guò)負(fù)荷特性試驗(yàn)，研究了發(fā)動(dòng)機(jī)在2 000、3 000、5 600 r/min時(shí)燃用不同辛烷值汽油的NOx、THC 和CO 排放。

2.3.1 辛烷值對(duì)CO排放的影響

辛烷值對(duì)汽油機(jī)負(fù)荷特性CO排放的影響如圖10所示。

圖10 辛烷值對(duì)汽油機(jī)負(fù)荷特性CO 排放的影響

如圖10所示，在2 000、3 000、5 600 r/min時(shí)，95號(hào)汽油CO排放都低于97號(hào)汽油。在中低負(fù)荷，2種汽油CO排放差別不大，而在大負(fù)荷時(shí)，隨辛烷值升高，CO排放增加。95號(hào)汽油與97號(hào)汽油相比，3 000 r/min時(shí)，最大降幅為5.6%，3 000 r/min時(shí)最大降幅為6.4%，5 600 r/min時(shí)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(shí)缸內(nèi)平均溫度曲線(xiàn)，可知大負(fù)荷時(shí)，95號(hào)汽油的點(diǎn)火提前角推遲，燃燒相位靠后，提高了膨脹和排氣過(guò)程中的燃?xì)鉁囟?，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(duì)THC排放的影響

辛烷值對(duì)汽油機(jī)負(fù)荷特性THC排放的影響如圖12所示。

圖12 辛烷值對(duì)汽油機(jī)負(fù)荷特性THC排放的影響

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

汽油機(jī)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(yīng)以及缸內(nèi)潤(rùn)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(hào)汽油在大負(fù)荷時(shí)的點(diǎn)火提前角被推遲，推遲點(diǎn)火降低了缸內(nèi)氣體的壓力和混合氣燃燒時(shí)的燃燒室面積，增加了膨脹和排氣過(guò)程中已燃?xì)怏w的溫度，使膨脹和排氣過(guò)程中燃?xì)鉁囟壬?，促進(jìn)未燃碳?xì)湓诟變?nèi)和排氣管中的氧化，使THC排放降低。

2.3.3 辛烷值對(duì)NOx排放的影響

辛烷值對(duì)汽油機(jī)負(fù)荷特性NOx排放的影響如圖13所示。

圖13 辛烷值對(duì)汽油機(jī)負(fù)荷特性NOx排放的影響

如圖13所示，95號(hào)汽油NOx排放低于97號(hào)汽油，隨著轉(zhuǎn)速的升高，降幅越大。在2000 r/min時(shí)，95號(hào)汽油NOx排放略低于97號(hào)汽油，最大降幅為2%。在3 000 r/min和5 600 r/min時(shí)，在低負(fù)荷區(qū)域，95號(hào)汽油NOx排放略低于97號(hào)汽油，降幅為3%。隨著負(fù)荷增大，降幅逐漸增加，3 000 r/min時(shí)，最大降幅為7.2%，5 600 r/min時(shí)，最大降幅為9.3%。

究其原因，還是因?yàn)?5號(hào)汽油在大負(fù)荷時(shí)的點(diǎn)火提前角推遲。結(jié)合圖11，減小點(diǎn)火提前角使最高燃燒溫度降低，同時(shí)減小了NOx在高溫時(shí)的生成時(shí)間，從而使NOx生成減少。

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

3 結(jié)論

在使用車(chē)用ECU的渦輪增壓缸內(nèi)直噴汽油機(jī)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(dòng)機(jī)的動(dòng)力性，2 000 r/min外特性時(shí)97 號(hào)汽油的扭矩相對(duì)于95號(hào)汽油IMEP最大升幅達(dá)4.07%。

2)燃用高辛烷值汽油能夠改善燃油經(jīng)濟(jì)性，中等負(fù)荷時(shí)降幅較大，而低負(fù)荷和高負(fù)荷的降幅都較小，2 000 r/min、0.9 MPa時(shí)最大降幅達(dá)2.8%。

3)燃用高辛烷值汽油對(duì)降低THC、CO 和NOx排放不利,不過(guò)其影響程度隨轉(zhuǎn)速和負(fù)荷的不同而存在差別。THC和CO排放在低負(fù)荷時(shí)差別不大，隨負(fù)荷增大而顯著增加；NOx排放受轉(zhuǎn)速和負(fù)荷共同影響，低轉(zhuǎn)速時(shí)差別較小，中高轉(zhuǎn)速時(shí)隨負(fù)荷增大NOx排放明顯增加。95號(hào)汽油相對(duì)于97號(hào)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N(xiāo)Ox排放最大降幅為9.3%。

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