醇類添加物對(duì)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(dá)法辛烷值（MON）之差，對(duì)于表示燃料的抗爆性方面有著重要的作用。關(guān)于典型的、單一的碳?xì)浠衔锏男镣殪`敏度的研究已有很多，而對(duì)于多種燃料混合物的研究有待進(jìn)一步深入。另一方面，考慮到含氧燃料的廣泛應(yīng)用，對(duì)于將其添加到汽油中，從而研究其對(duì)汽油抗爆性的影響具有重要的實(shí)際意義。本文利用詳細(xì)的化學(xué)反應(yīng)機(jī)理，通過(guò)數(shù)值分析法來(lái)研究含氧燃料的添加對(duì)汽油替代物OS的影響。本文的研究結(jié)果旨在為下一代汽油機(jī)的設(shè)計(jì)以及先進(jìn)燃料的研發(fā)提供理論依據(jù)，從而提高發(fā)動(dòng)機(jī)效率，提高燃油經(jīng)濟(jì)性。

關(guān)鍵詞：辛烷靈敏度；研究法辛烷值；馬達(dá)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(jī)自誕生以來(lái)便在轉(zhuǎn)速、成本、工作平穩(wěn)性、噪聲方面具有優(yōu)勢(shì)，這使得其一直以來(lái)都是轎車、小型貨車、摩托車等的主要?jiǎng)恿ρb置。但是汽油機(jī)存在爆震燃燒問(wèn)題，這會(huì)影響汽油機(jī)的效率。如果爆震長(zhǎng)期存在，會(huì)破壞缸內(nèi)構(gòu)件、增加有害物排放、增加油耗等[1]。目前，減少汽油機(jī)爆震的方法，例如選擇合適的點(diǎn)火提前角、清理燃燒室內(nèi)的積碳等。其中最主要的、應(yīng)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(zhì)，一般用研究法辛烷值（Research octane number，RON）與馬達(dá)法辛烷值（Motor octane number，MON）來(lái)表示。但隨著研究的深入，越來(lái)越多的結(jié)果表明直接用RON或MON來(lái)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(gè)燃料的抗爆性越好。OI的定義為：OI=RON-K*OS，其中K是與發(fā)動(dòng)機(jī)工況相關(guān)的一個(gè)常數(shù)，目前K一般為負(fù)值。OS（Octane sensitivity）表示辛烷靈敏度，數(shù)值上等于RON減去MON。因此，當(dāng)兩個(gè)燃料的RON相同時(shí)，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(jī)的效率，減少爆震，對(duì)燃料OS的研究具有重要意義。本文通過(guò)詳細(xì)的化學(xué)機(jī)理，通過(guò)仿真軟件，用PRF90燃料（Primary reference fuel）作為汽油的替代物，來(lái)模擬研究汽油與醇類燃料混合后的OS變化規(guī)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(duì)OS的研究建立在對(duì)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(shù)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?jǐn)?shù)，即為該P(yáng)RF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(jù)這個(gè)定義，所有PRF的OS都為0。如果一個(gè)燃料在RON循環(huán)中得到的滯燃期與PRF80在RON循環(huán)中的滯燃期相同，那么這個(gè)燃料的RON即為80。同樣的，如果一個(gè)燃料的MON為70，則表示該燃料在MON循環(huán)中的滯燃期與PRF70相同。

本文使用Westbrook等人[4]提供的詳細(xì)化學(xué)反應(yīng)機(jī)理，以及他們?cè)谝粋€(gè)特殊的單缸汽油機(jī)中獲得的RON和MON循環(huán)的壓力，來(lái)模擬所研究的燃料在實(shí)際發(fā)動(dòng)機(jī)中RON循環(huán)和MON循環(huán)的熱力學(xué)狀態(tài)，通過(guò)Perfectly Stirred Reactor（PSR）模型從而計(jì)算得到燃料在RON和MON循環(huán)下的滯燃期。將兩種滯燃期分別與在兩種循環(huán)下的PRF滯燃期曲線進(jìn)行對(duì)比，即可得到燃料的RON與MON。再用計(jì)算得到的RON減去MON，即為該燃料的OS。因?yàn)榈吞即碱惥哂辛己玫目贡约吧倭康挠泻ξ锱欧?，所以它們一直被?dāng)作汽油添加劑來(lái)改善汽油的性質(zhì)，從而提高汽油機(jī)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(guò)模擬來(lái)研究醇類添加物對(duì)汽油OS的影響。

1.2 仿真及驗(yàn)證

兩種仿真計(jì)算的當(dāng)量比設(shè)定為1.1。由于在溫度500K以下時(shí)幾乎沒(méi)有反應(yīng)發(fā)生，因此計(jì)算開(kāi)始于500K之后。RON循環(huán)的初始溫度和壓力為501.86 K，3.1 bar，對(duì)應(yīng)于上止點(diǎn)前的65.3度。相應(yīng)的MON循環(huán)的初始溫度和壓力為502 K，2.09 bar，對(duì)應(yīng)于上止點(diǎn)前的80.6度[4]。

圖1表示本文兩種模擬計(jì)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(cè)得的。

為了驗(yàn)證所使用的方法是否可行，本文首先在RON和MON循環(huán)中計(jì)算了不同PRF的滯燃期，如圖2所示。圖2（a）、（b）中黑色實(shí)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(jì)算得到的滯燃期，與其實(shí)驗(yàn)得到的辛烷值的關(guān)系，在圖中以不同顏色及形狀的點(diǎn)來(lái)表示。可以看出，這些點(diǎn)大多圍繞在基準(zhǔn)曲線周圍，而不是準(zhǔn)確的位于基準(zhǔn)曲線上。造成這種現(xiàn)象的原因可能是由于壓力曲線、化學(xué)反應(yīng)機(jī)理或者RON及MON實(shí)驗(yàn)中的誤差導(dǎo)致的。但是該誤差不大，在可以接受的范圍內(nèi)。因此，本文的研究方法是可行的。

2 結(jié)果與分析

2.1 醇類燃料的主鏈鏈長(zhǎng)對(duì)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(guān)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(shù)值上看，當(dāng)所添加的醇類濃度相同時(shí)，對(duì)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(shuō)明，對(duì)于PRF90這一汽油替代燃料，所添加的醇類的碳鏈鏈長(zhǎng)越短，對(duì)提高OS的效果越好。換句話說(shuō)，隨著碳鏈鏈長(zhǎng)的增加，醇類燃料對(duì)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(zhǎng)的增加，分子中易發(fā)生反應(yīng)的位置點(diǎn)增多，使得燃料在發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)中傾向于較早的發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。這其中的放熱反應(yīng)會(huì)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(jié)構(gòu)對(duì)燃料OS的影響

從上一節(jié)可知，對(duì)于同一類含氧燃料而言，其分子的鏈長(zhǎng)對(duì)提高汽油OS的效果會(huì)產(chǎn)生不同的影響。隨著鏈長(zhǎng)的增加，含氧燃料對(duì)汽油OS的增強(qiáng)效果逐步降低。為了更進(jìn)一步的了解鏈長(zhǎng)與OS的規(guī)律，排除分子中元素個(gè)數(shù)對(duì)結(jié)果的影響，本節(jié)選擇擁有相同元素及個(gè)數(shù)但不同鏈長(zhǎng)的正戊醇與異戊醇進(jìn)行研究。由于支鏈的存在，異戊醇的主鏈上有4個(gè)碳原子，比正戊醇主鏈上的5個(gè)碳原子要少，使得異戊醇的主鏈鏈長(zhǎng)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(shì)。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(dāng)在PRF90中所加入的戊醇濃度相同時(shí)，異戊醇對(duì)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(shuō)明即使是擁有相同元素及個(gè)數(shù)的兩種同類型燃料，它們不同的分子結(jié)構(gòu)也會(huì)使得他們具有不同的提高OS的效果。異戊醇的分子結(jié)構(gòu)中，主鏈鏈長(zhǎng)比直鏈的正戊醇要短，易發(fā)生反應(yīng)的點(diǎn)較少，使其自身相較于正戊醇具有較好的抗爆性。當(dāng)將這兩種戊醇添加到PRF90中時(shí)，鏈長(zhǎng)較短的異戊醇對(duì)提高PRF90的OS的效果更好。由此進(jìn)一步證明，隨著醇類碳鏈鏈長(zhǎng)的增加，其對(duì)提高汽油OS的效果逐漸降低。

3 結(jié)論

本文利用詳細(xì)的化學(xué)反應(yīng)機(jī)理，通過(guò)PSR反應(yīng)器模型，模擬研究了醇類添加物對(duì)汽油辛烷靈敏度的影響。由研究的結(jié)果可以看出，醇類燃料對(duì)提高汽油的辛烷靈敏度有著明顯的作用。本文的主要結(jié)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(duì)于PRF90，所添加醇類的分子中主鏈上碳鏈越長(zhǎng)，對(duì)提高其辛烷靈敏度的效果越差。

c. 對(duì)于直鏈醇類及其帶支鏈的同分異構(gòu)體來(lái)說(shuō)，后者對(duì)提高PRF90的辛烷靈敏度具有更好的效果。

參考文獻(xiàn)：

[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(jiǎn)介：夏笛（1994-），男，湖北紅安人，碩士，學(xué)生，研究方向：發(fā)動(dòng)機(jī)、清潔燃燒。