低壓環(huán)境汽油辛烷值測定技術(shù)研究

夏 良

（上海神開石油儀器有限公司，上海 201114）

0 引言

汽油辛烷值是汽油在發(fā)動機中燃燒時抵抗爆震的能力，又稱抗爆性，是指在標(biāo)準(zhǔn)試驗條件下，把試樣與已知辛烷值的標(biāo)準(zhǔn)燃料在標(biāo)準(zhǔn)爆震試驗機上進行比較。若爆震強度相當(dāng)，則試樣的辛烷值就是標(biāo)準(zhǔn)燃料的辛烷值[1]。汽油在發(fā)動機中是被點燃的，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(dá)法辛烷值（MON）。辛烷值越高，抗爆性就越好，發(fā)動機就可以有更高的壓縮比，提升了發(fā)動機的功率，從而也提高了燃料的做功效率。

在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)汽油辛烷值測定機只能在海拔低于2650 m、大氣壓高于71.1kPa的地區(qū)進行測定，且只能用研究法。如果要用馬達(dá)法測定的話，只能在海拔低于2350 m、大氣壓高于74.5kPa的地區(qū)。然而在國內(nèi)，有些城市的海拔高于2650 m，并且雖然在測定標(biāo)準(zhǔn)中對于海拔在1500 m～2650 m之間有一定的測定指導(dǎo)，但是實際測試結(jié)果普遍低于標(biāo)準(zhǔn)結(jié)果。因此，對低壓環(huán)境下汽油辛烷值測定技術(shù)的研究，有助于高海拔區(qū)域油品質(zhì)量的管控，有助于高海拔地區(qū)油品消費市場的和諧穩(wěn)定，是一件非常有意義的事情。

1 測定設(shè)備的設(shè)計原理

低壓環(huán)境汽油辛烷值測定技術(shù)的基本設(shè)計原理是：將一臺標(biāo)準(zhǔn)汽油辛烷值測定機安裝在可自動增壓、控壓、降壓的儀器房內(nèi)進行汽油辛烷值的測定試驗[2-4]。在低壓、高海拔地區(qū)，儀器房將試驗環(huán)境的大氣壓提升至84kPa以上并保持所設(shè)定的大氣壓，同時將室內(nèi)溫度控制在20℃±5℃，濕度控制在50%～70%，采用直徑為14.3mm（研究法）或19.1mm（馬達(dá)法）文氏管，其余設(shè)備測試工況條件根據(jù)大氣壓在84kPa以上相對應(yīng)的測定標(biāo)準(zhǔn)GB/T 5487-2015《汽油辛烷值的測定 研究法》或GB/T 503-2016《汽油辛烷值的測定 馬達(dá)法》所規(guī)定的內(nèi)插法或壓縮比法進行。具體操作如下：操作人員進入增壓儀器房（規(guī)定試驗過程必須同時至少2名操作人員進入），關(guān)閉正壓儀器門以每分鐘低于4kPa（此數(shù)值可根據(jù)不同情況設(shè)定，但最大不能超過10kPa）的加壓速率進行增壓直至到達(dá)所設(shè)定試驗大氣壓，同時測定機進行熱機過程，室內(nèi)溫、濕度監(jiān)測及控制與儀器房外值班監(jiān)測室語音視頻聯(lián)系，約45min后進行測定試驗。試驗測定結(jié)束后，儀器房內(nèi)以每分鐘低于8kPa的降壓速率進行減壓直至與外部氣壓相同。具體基本設(shè)計原理如圖1所示。

圖1 測定設(shè)備的設(shè)計原理Fig.1 Design principle of the determinator

2 電氣系統(tǒng)設(shè)計

2.1 總體框圖

電氣系統(tǒng)設(shè)計總體框圖如圖2所示，應(yīng)用觸摸工業(yè)電腦實現(xiàn)人機交互，采用RS-232與MCU進行通訊，對增壓儀器房的增壓、控壓及溫濕度等參數(shù)進行設(shè)定、顯示、記錄等。MCU通過信號線與氣壓檢測器、閉門檢測器、溫度檢測器、濕度檢測器等連接，用于實時檢測儀器房內(nèi)的氣壓、溫度、濕度等。MCU通過控制變頻器、鼓風(fēng)機、氣壓調(diào)節(jié)器來實現(xiàn)對儀器房氣壓的控制，同時通過氣壓報警器來判斷儀器房氣壓是否處于設(shè)定范圍；MCU通過閉門檢測器來判斷儀器房的正壓儀器門和正壓逃生門是否關(guān)閉，從而啟動對儀器房的增壓動作，通過溫度檢測器和濕度檢測器來檢測儀器房內(nèi)的溫度和濕度，為是否開啟加熱系統(tǒng)和除濕系統(tǒng)提供依據(jù)；室內(nèi)監(jiān)控器和通訊設(shè)備通過USB接口連接在觸摸工業(yè)電腦上，觸摸工業(yè)電腦、辛烷值測定系統(tǒng)及客戶端服務(wù)器都通過網(wǎng)線與路由器連接，從而使得儀器房內(nèi)的一切情況包括試驗過程及結(jié)果等都可以通過網(wǎng)絡(luò)來遠(yuǎn)程監(jiān)控。

圖2 電氣系統(tǒng)設(shè)計總體框圖Fig.2 Overall block diagram of electrical design

2.2 耐壓儀器房結(jié)構(gòu)布局的研究

耐壓儀器房由增壓緩沖室、增壓工作室、非增壓室3部分組成，整體框架為鋼結(jié)構(gòu)。增壓緩沖室及增壓工作室是兩間分別獨立的密閉房間，每間內(nèi)部設(shè)計承壓45 kPa，增壓緩沖室設(shè)置有正壓儀器門、泄壓口、補壓口及帶有密封門的隔墻，其空間為增壓工作室的1/5，是在試驗過程中進出儀器房時的過渡房間，也是人員活動休息區(qū)域，期間的大氣壓力通過2組氣壓調(diào)節(jié)器進行自動調(diào)節(jié)；增壓工作室設(shè)置有正壓逃生門、增壓管道、正壓觀察窗，是主要的試驗操作區(qū)域；非增壓室設(shè)置有增壓區(qū)隔斷、尾氣排放管，用于放置鼓風(fēng)機等設(shè)備。具體結(jié)構(gòu)布局如圖3所示。

圖3 耐壓儀器房結(jié)構(gòu)布局圖Fig.3 Structural layout of pressure-resistant instrument room

2.3 氣壓控制系統(tǒng)的研究

儀器房內(nèi)的氣壓控制分為3個過程，即測定開始時的增壓過程、測定過程中的控壓過程、測定結(jié)束時的降壓過程。增壓過程為：打開觸摸工業(yè)電腦進入操作界面，點擊界面上的“增壓”按鈕，系統(tǒng)檢測正壓儀器門、正壓逃生門是否關(guān)閉及當(dāng)時氣壓，同時檢測儀器房內(nèi)溫度和濕度。如達(dá)不到設(shè)定要求，提示操作人員打開控溫設(shè)備或除濕器；如氣壓沒有達(dá)到設(shè)定氣壓啟動鼓風(fēng)機對儀器房進行加壓，并計算增壓速率，控制氣壓調(diào)節(jié)器和鼓風(fēng)機、變頻器來實現(xiàn)增壓速率低于每分鐘4kPa。具體增壓方式如圖4所示。

圖4 增壓方式圖Fig.4 Pressurization pattern

由于測定機在試驗過程中需要消耗一定量的空氣產(chǎn)生廢氣后排放出儀器房，因而需有控壓過程。但鼓風(fēng)機是持續(xù)的為儀器房提供空氣，增壓過程一直是進行的，控壓過程的邏輯與增壓過程一樣，只是變頻器輸出變化的幅度要小許多。當(dāng)測定結(jié)束后，需將儀器房內(nèi)的壓力恢復(fù)到與室外壓力一樣，因此需逐步降低變頻器的輸出來泄壓，具體降壓方式如圖5所示。

圖5 降壓方式圖Fig.5 Depressurization pattern

2.4 遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的研究

低壓環(huán)境汽油辛烷值測定儀在試驗過程中需對操作人員所待的區(qū)域進行氣壓改變（短時間內(nèi)），對操作人員身體有一定影響，如缺氧或醉氧反應(yīng)等。為了保障人員的安全，在系統(tǒng)中設(shè)計了遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，通過網(wǎng)線將增壓控制系統(tǒng)、監(jiān)控器、通訊設(shè)備、汽油辛烷值測定系統(tǒng)都連接到客戶端服務(wù)器上，實現(xiàn)對儀器房內(nèi)人員活動的觀察，實時保持與內(nèi)部人員的溝通，萬一發(fā)生意外能及時采取救援；同時，也可對汽油辛烷值測定系統(tǒng)數(shù)據(jù)進行遠(yuǎn)程采集、對試驗過程進行監(jiān)測；在內(nèi)部人員授權(quán)的情況下，可對氣壓控制系統(tǒng)進行遠(yuǎn)程控制，為試驗過程無人化提供一種可能。

3 軟件設(shè)計

在Win7操作系統(tǒng)下，測控系統(tǒng)采用上位觸摸工業(yè)電腦加下位單片機形式，通訊協(xié)議采用Modbus編寫。觸摸工業(yè)電腦中的應(yīng)用軟件在Microsoft Visual Studio 2010設(shè)計環(huán)境下，應(yīng)用C++語言編寫來實現(xiàn)人機交流。單片機在MPLAB設(shè)計環(huán)境下，采用C語言編寫來實現(xiàn)對設(shè)備的控制。

3.1 上位機軟件設(shè)計

應(yīng)用軟件采用模塊化設(shè)計，包括實驗室信息管理系統(tǒng)（LIMS）及遠(yuǎn)程監(jiān)控模塊，它們是基于網(wǎng)口或無線局域網(wǎng)實現(xiàn)遠(yuǎn)端通訊，實現(xiàn)對測定儀試驗數(shù)據(jù)的收集、分析、報告、打印及管理[5]，實時觀察人員活動、設(shè)備工況的遠(yuǎn)程監(jiān)測及診斷，遠(yuǎn)端控制儀器房的增壓、控壓、降壓過程；數(shù)據(jù)打印模塊有熱敏打印和遠(yuǎn)端外接打印機打?。粶y定機工況監(jiān)測模塊，主要以動態(tài)波圖形實時顯示設(shè)備各個工作參數(shù)；數(shù)據(jù)庫讀寫模塊，采用Sqlite開源嵌入式輕型數(shù)據(jù)庫[6-8]來存儲試驗結(jié)果及一些測定儀工況參數(shù)；參數(shù)配置讀寫模塊用于讀寫測定儀配置數(shù)據(jù)，如溫度、壓力、氣缸位置的標(biāo)定數(shù)據(jù)、進氣溫控PID參數(shù)、混合氣溫控PID參數(shù)等，文件以ini文件存儲；中外文加載模塊采用加載外部ini文件來實現(xiàn)中外文的切換；限幅濾波平均算法模塊是針對最大爆震數(shù)據(jù)的采集而進行的濾波算法。

3.2 下位機程序設(shè)計

單片機程序在主循環(huán)及各個中斷中運行，用于各種信號的采樣、算法執(zhí)行、數(shù)據(jù)處理及各種執(zhí)行單元的控制。設(shè)計框圖如圖6所示。系統(tǒng)初始化是指MCU的各個IO引腳、定時器、A/D轉(zhuǎn)換、直接存儲器、通用異步收發(fā)器等進行初始設(shè)置。測定儀工況信息采樣主要是對進氣溫度、混合氣溫度、潤滑油溫度、內(nèi)循環(huán)冷卻水套溫度、外循環(huán)冷卻水溫度、試驗環(huán)境溫度通過PT100傳感器進行采集，對發(fā)動機管路中潤滑油壓力、曲軸箱負(fù)壓、試驗環(huán)境大氣壓通過壓力傳感器進行采集。PID溫控算法是對加熱器輸出功率進行控制來實現(xiàn)進氣溫度、混合氣溫度、潤滑油溫度的試驗要求。數(shù)據(jù)傳輸是應(yīng)用MCU的UART模塊接收上位機的命令，解析后執(zhí)行并反饋相應(yīng)信息。信號瞬間捕獲是獲取各個信號中斷的時間點，如點火、相位等信號，計算出各個信號之間的角度差或時間差，從而獲得點火提前角試驗條件參數(shù)。信號執(zhí)行是對執(zhí)行元件的控制，如對氣壓調(diào)節(jié)器、鼓風(fēng)機頻率的控制來實現(xiàn)試驗環(huán)境大氣壓的控制，對壓縮比電機的控制來實現(xiàn)活塞位置的自動改變，對火花塞高壓包的控制來實現(xiàn)點火時間點的控制及調(diào)整。

圖6 下位機程序設(shè)計框圖Fig.6 The frame of slave machine design

4 測試數(shù)據(jù)分析

低壓環(huán)境汽油辛烷值測定儀完成后，在西藏拉薩地區(qū)用研究法的內(nèi)插法進行了在增壓情況下（試驗環(huán)境大氣壓84kPa）和不增壓情況下（試驗環(huán)境大氣壓65kPa）分別以93.4、96.9兩種甲標(biāo)對測定儀進行標(biāo)定后測定92汽油和95汽油的試驗對比。在增壓情況下，92、95汽油的測定結(jié)果準(zhǔn)確，且在重復(fù)性上符合標(biāo)準(zhǔn)見表1。測定儀在同樣甲苯標(biāo)定下，92、95汽油測定結(jié)果與低海拔地區(qū)標(biāo)準(zhǔn)辛烷值測定機的測定結(jié)果相比較，在再現(xiàn)性上同樣符合標(biāo)準(zhǔn)要求，不增壓情況下測定結(jié)果比實際結(jié)果低1～2個辛烷值且在再現(xiàn)性上是不符合標(biāo)準(zhǔn)要求的（見表2）。

表1 油樣評定的重復(fù)性Table 1 Repeatability of oil sample evaluation

表2 油樣評定的再現(xiàn)性Table 2 Reproducibility of oil sample evaluation

5 結(jié)束語

低壓環(huán)境汽油辛烷值測定儀在海拔約為3600 m的拉薩地區(qū)，通過將試驗環(huán)境大氣壓提升至84kPa后，再根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的試驗條件要求，分別對油樣92汽油、95汽油進行測定，其測定結(jié)果準(zhǔn)確且重復(fù)性和再現(xiàn)性完全符合GB/T5487-2015、ASTM D2699-15a相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。