高活性低辛烷值汽油壓燃著火特性與表征燃料構(gòu)建

果澤先，王步宇，王博遠(yuǎn)，張啟航，蔡開(kāi)源，王 志，帥石金,*

（1.清華大學(xué)，汽車安全與節(jié)能國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084，中國(guó)；2.清華大學(xué) 航空發(fā)動(dòng)機(jī)研究院，北京 100084，中國(guó)）

汽油壓燃（gasoline compression ignition,GCI）發(fā)動(dòng)機(jī)具有打破氮氧化物（NOx）與碳煙排放此消彼長(zhǎng)（trade-off）關(guān)系并實(shí)現(xiàn)高效率燃燒的潛力。但市售汽油研究法辛烷值（research octane number,RON）過(guò)高，冷啟動(dòng)與小負(fù)荷穩(wěn)定運(yùn)行存在困難[1]，需要采用廢氣回吸[2]、熱管理[3]等方案或?qū)娚洳呗赃M(jìn)行優(yōu)化[4]。而RON 值為60～80 的高活性低辛烷值汽油，無(wú)需對(duì)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)硬件和軟件進(jìn)行改造和調(diào)整[5-6]，能夠直接使用柴油機(jī)的燃燒策略實(shí)現(xiàn)全工況平面穩(wěn)定燃燒,是一種理想的壓燃燃料。

模擬計(jì)算是解析發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)燃燒過(guò)程，包括對(duì)燃燒系統(tǒng)、燃燒策略進(jìn)行優(yōu)化的良好手段。但汽油由鏈烷烴、環(huán)烷烴、烯烴、芳烴等上百種烴類組分構(gòu)成，對(duì)全部的汽油組分進(jìn)行模擬是不現(xiàn)實(shí)的。因此，需要構(gòu)建汽油的表征燃料，用幾種典型的組分表征其著火特性。由正庚烷與異辛烷組成的基礎(chǔ)表征燃料（primary reference fuel,PRF）是一種典型的汽油表征燃料，通過(guò)調(diào)整正庚烷與異辛烷的比例來(lái)匹配汽油的RON[7]。然而，根據(jù)辛烷值測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)燃料定義，PRF 的RON 與馬達(dá)法辛烷值（motor octane number,MON）始終相等，而研究表明單純使用RON 或MON 均無(wú)法準(zhǔn)確表征燃料在不同壓力、溫度下的著火特性[8]。在PRF 基礎(chǔ)上，加入甲苯組分構(gòu)成的甲苯表征燃料（toluene reference fuel,TRF），可以同時(shí)匹配汽油的RON 與MON[9]。也有研究者采用TRF 表征汽油的RON 與氫碳摩爾比（H/C）[10]。王步宇[11]采用由正庚烷、異辛烷、甲基環(huán)己烷組成的3 組分表征燃料模擬RON59 石腦油的著火特性，發(fā)現(xiàn)相對(duì)于匹配RON 與MON，匹配RON 與H/C 能更加準(zhǔn)確地再現(xiàn)石腦油的著火特性。為了更準(zhǔn)確地表征高活性低辛烷值汽油的著火特性，并反映燃料更多的理化特性，如組分類別、餾程特性、中間產(chǎn)物等，研究者針對(duì)RON 值為60～80 的高活性低辛烷值汽油提出了多種多組分表征燃料[12-18]。這些表征燃料都考慮了真實(shí)燃料的H/C 與分子量，同時(shí)選取RON[12-17]、MON[14-16]、碳原子類型[12-14,17]、官能團(tuán)[18]、密度[12-17]、餾程[12-13,17]等理化特性進(jìn)行匹配。除正庚烷、異辛烷、甲苯外，常見(jiàn)的高活性低辛烷值汽油表征燃料組分還包括正丁烷[17]、正戊烷[12-16]、正己烷[18]、異戊烷[12-13,17-18]、2-甲基己烷[12-17]、環(huán)戊烷[12-17]、甲基環(huán)戊烷[18]、1-己烯[17]、1,2,4-三甲基苯[17]等。研究表明，相較于PRF或TRF，多組分表征燃料能更好地與高活性低辛烷值汽油低溫段的著火特性吻合[12,14]。

本文首先在快速壓縮機(jī)（rapid compression machine，RCM）平臺(tái)測(cè)試一種以異構(gòu)烷烴為主要組分的高活性低辛烷值汽油的著火特性。在此基礎(chǔ)上，基于Chemkin 零維模擬軟件，提出一種由異己烷（2-甲基戊烷）、正庚烷、甲苯組成的表征燃料，并與PRF、TRF的著火特性表征效果進(jìn)行比較。最后比較了相同表征方法下異己烷含量不同的表征燃料的著火特性，從中選定與真實(shí)燃料著火特性吻合程度更高的表征燃料。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)燃料

試驗(yàn)燃料為山東京博石油化工有限公司生產(chǎn)的一種高活性低辛烷值汽油。相較于市場(chǎng)汽油，該汽油燃料RON 更低，揮發(fā)性更好，其烴類組分碳數(shù)集中分布于5～8，異構(gòu)烷烴含量超過(guò)60%，烯烴、芳烴含量低，無(wú)含氧組分。表1 和圖1 分別展示了該汽油燃料的主要理化特性，以及烴類組成情況。

圖1 高活性低辛烷值汽油烴類組成

表1 試驗(yàn)用汽油主要理化特性

該汽油燃料的比熱比（γ）無(wú)法直接得到，故在數(shù)據(jù)處理中，用所有質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于1%的組分（共20 種）的γ加權(quán)結(jié)果代表高活性汽油的γ。表2 列出了該汽油燃料中質(zhì)量分?jǐn)?shù)（wm）大于1%的組分及其質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

表2 試驗(yàn)用汽油的主要組分及其質(zhì)量分?jǐn)?shù)

1.2 快速壓縮機(jī)

高活性低辛烷值汽油滯燃期測(cè)量基于快速壓縮機(jī)平臺(tái)（THU-RCM）進(jìn)行，其組成如圖2 所示?？焖賶嚎s機(jī)主要由氣罐、驅(qū)動(dòng)段、液壓段、壓縮段及燃燒室組成，在驅(qū)動(dòng)段、液壓段和壓縮段內(nèi)各有1 個(gè)活塞，并使用2根鈦合金軸將3 個(gè)活塞相連。初始階段活塞在液壓油作用下固定在下止點(diǎn)位置，此時(shí)打開(kāi)氣罐與驅(qū)動(dòng)段之間的閥門，氣罐內(nèi)的高壓氣體使活塞受到向上止點(diǎn)的推力，之后打開(kāi)控制液壓油的電磁閥，活塞在高壓氣體作用下迅速向上止點(diǎn)運(yùn)動(dòng)并壓縮燃燒室內(nèi)的可燃均質(zhì)混合氣，最終使得可燃混合氣著火。

圖2 快速壓縮機(jī)測(cè)試平臺(tái)示意圖

快速壓縮機(jī)壓縮段缸徑50.8 mm，沖程500 mm，可通過(guò)改變?nèi)紵议L(zhǎng)度改變壓縮比，從而改變壓縮終點(diǎn)的溫度。燃燒室內(nèi)的壓力采用壓電式壓力傳感器Kistler 6125C 測(cè)量，通過(guò)電荷放大器Kistler 5018A 將電荷信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，并由NI（national instruments）系統(tǒng)記錄。

為保證該汽油燃料完全揮發(fā)并混合均勻，將配氣罐、快速壓縮機(jī)的燃燒室及壓縮段內(nèi)部均加熱至80 ℃。試驗(yàn)所使用的氮?dú)狻⒀鯕?、氬氣的純度分別為99.999%，99.995%，99.999%。

1.3 試驗(yàn)工況

圖3 是快速壓縮機(jī)上典型的壓燃?jí)毫η€示意圖。由于從壓縮終點(diǎn)到混合氣著火的過(guò)程存在散熱，燃燒室內(nèi)壓力并非一直保持在壓縮終點(diǎn)壓力pc，故采用有效壓力(peff)與有效溫度(Teff)描述試驗(yàn)條件。peff代表壓力從壓縮終點(diǎn)到壓縮終點(diǎn)后著火開(kāi)始前壓力最小值對(duì)應(yīng)時(shí)刻對(duì)時(shí)間的平均值，Teff由絕熱假設(shè)條件下的peff計(jì)算得到，如式(1)和式(2)所示。

圖3 快速壓縮機(jī)壓燃?jí)毫η€示意圖

圖3 中t=0 代表活塞到達(dá)上止點(diǎn)的時(shí)刻，對(duì)應(yīng)壓力曲線達(dá)到第1 個(gè)峰值的時(shí)刻。由于存在散熱等原因，到達(dá)上止點(diǎn)后到著火前，壓力曲線呈現(xiàn)下降趨勢(shì)；pmin代表壓力下降過(guò)程中的極小值，對(duì)應(yīng)的時(shí)刻為t1。T0、p0分別為壓縮前的初始溫度與壓力，γ為混合氣的比熱比。試驗(yàn)選取3 個(gè)有效壓力(peff)，分別為1.8、1.4 和1.0 MPa。壓縮前初始溫度T0均為353 K (80 ℃)，有效溫度Teff在690～920 K 內(nèi)。

試驗(yàn)可燃混合氣的燃空當(dāng)量比為0.5，采用氮?dú)馀c氬氣稀釋，稀釋比（稀釋氣體與氧氣的摩爾比）為6:1，其中氮?dú)馀c氬氣的摩爾比為5.55:1。在此工況下能夠使得滯燃期結(jié)果在合適的范圍內(nèi)，避免出現(xiàn)早燃或滯燃期過(guò)短影響測(cè)量準(zhǔn)確性的情況。

著火滯燃期定義如圖3 所示：將上止點(diǎn)后最大壓升率對(duì)應(yīng)的時(shí)刻與上止點(diǎn)時(shí)刻間的時(shí)間間隔定義為總滯燃期τ，對(duì)應(yīng)的著火稱為主著火。在部分工況下，在主著火前，可能出現(xiàn)壓力的小幅上升，稱為一級(jí)著火，將第1 次局部壓升率極大值對(duì)應(yīng)的時(shí)刻與上止點(diǎn)時(shí)刻間的時(shí)間間隔定義為一級(jí)滯燃期τ1。

1.4 零維模擬與表征燃料設(shè)計(jì)

對(duì)于表征燃料的滯燃期，采用Chemkin 軟件[19]中的封閉均質(zhì)反應(yīng)器（closed homogeneous reactor）模型進(jìn)行模擬計(jì)算。有效壓力、溫度、混合氣組成等條件與試驗(yàn)保持一致。機(jī)理采用美國(guó)勞倫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)的汽油詳細(xì)機(jī)理[20]，該機(jī)理含有1 389 組分5 935反應(yīng)，包含多種正烷烴、異構(gòu)烷烴、烯烴、芳烴組分，能夠?yàn)楸碚魅剂辖M分選取與比較提供充足的空間。

參與模擬計(jì)算的表征燃料包括PRF、TRF，以及異己烷表征燃料（iso-hexane surrogate,iso-HS）。其中，PRF 匹配高活性低辛烷值汽油的RON；考慮到該汽油的RON 與MON 幾乎沒(méi)有差異，TRF 匹配了RON 與H/C。同時(shí)設(shè)計(jì)了一種由異己烷、正庚烷與甲苯組成的高異己烷比例的3 組分iso-HS1，該表征燃料同樣匹配了RON 與H/C。為了說(shuō)明異己烷比例對(duì)滯燃期的作用，并對(duì)異己烷表征燃料的組分及其比例進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化，在其中增加異辛烷組分，并在RON 與H/C 不變的前提下，改變異己烷比例，設(shè)計(jì)了iso-HS2 與iso-HS3。表3給出了各種表征燃料的組分及摩爾比例。

表3 表征燃料的組分及摩爾比例

2 結(jié)果與討論

2.1 高活性低辛烷值汽油滯燃期

圖4a 展示了高活性低辛烷值汽油總滯燃期結(jié)果。該汽油燃料在較寬的溫度區(qū)間710～850 K 內(nèi)呈現(xiàn)負(fù)溫度系數(shù)（negative temperature coefficient,NTC）現(xiàn)象，即隨有效溫度的上升，總滯燃期上升；且隨有效壓力的升高，NTC 溫度區(qū)間向高溫方向移動(dòng)。

圖4b 展示了高活性汽油一級(jí)滯燃期結(jié)果。隨有效溫度的升高，總體上一級(jí)滯燃期單調(diào)下降。此外，在有效壓力1.4、1.8 MPa下，由于一級(jí)滯燃期均較短（總體小于16 ms，大于700 K下小于5 ms），此時(shí)一級(jí)滯燃期并未呈現(xiàn)明顯差異（即差異小于誤差帶范圍）。

圖4 高活性低辛烷值汽油滯燃期結(jié)果

由于高活性低辛烷值汽油含有上百種組分，其一級(jí)著火影響因素復(fù)雜，難以通過(guò)幾種組分的表征燃料準(zhǔn)確模擬。此外，對(duì)該汽油燃料設(shè)計(jì)表征燃料的主要目的是對(duì)該汽油燃料在發(fā)動(dòng)機(jī)中的燃燒進(jìn)行模擬，而一級(jí)著火放熱少，對(duì)缸內(nèi)壓力、溫度的影響有限。綜上，后文重點(diǎn)關(guān)注表征燃料總滯燃期的模擬效果。

2.2 不同表征燃料滯燃期比較

圖5 分別展示了PRF、TRF 與iso-HS1 總滯燃期(τ)的計(jì)算結(jié)果，并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較。3 種表征燃料滯燃期對(duì)有效壓力(peff)的敏感性（即相同有效壓力變化下滯燃期的變化幅度）均略低于試驗(yàn)。在最低有效溫度下，3 種表征燃料總滯燃期均與試驗(yàn)相近，而在最高有效溫度下，iso-HS1 在3 個(gè)有效壓力條件下的滯燃期均略高于PRF 和TRF。對(duì)于NTC 區(qū)間，PRF 與TRF結(jié)果一致，而iso-HS1 呈現(xiàn)更顯著的NTC 現(xiàn)象，即隨溫度的上升，總滯燃期升高幅度更高。

圖5 不同表征燃料總滯燃期

為了量化分析各表征燃料的表征效果，定義單一工況的偏差計(jì)算方法為

其中，er為單一工況的偏差，τsim與τexp分別表示表征燃料模擬與高活性低辛烷值汽油試驗(yàn)的滯燃期。需要注意此時(shí)偏差帶有正負(fù)，正值表示模擬的滯燃期高于試驗(yàn)值，負(fù)值表示模擬的滯燃期低于試驗(yàn)值。對(duì)于NTC區(qū)域，3 種表征燃料單一工況偏差的絕對(duì)值均不超過(guò)61%，PRF 與TRF 仿真與試驗(yàn)的最大偏差絕對(duì)值均出現(xiàn)在有效壓力1.0 MPa、有效溫度795 K 工況，偏差分別為-52.0%和-53.3%；iso-HS1 的最大偏差絕對(duì)值出現(xiàn)在有效壓力1.8 MPa、有效溫度815 K 工況，偏差為60.1%。

進(jìn)一步定義平均偏差與偏差標(biāo)準(zhǔn)差為：

在最低有效溫度下，PRF、TRF 與iso-HS1 的偏差絕對(duì)值均小于20%，然而iso-HS1 在有效壓力1.8、1.4、1.0 MPa下，最高有效溫度工況的偏差分別達(dá)到了83.4%、66.3%、44.8%，高出PRF 的62.0%、46.5%、27.2%以及TRF 的60.6%、45.2%、26.0%約20 個(gè)百分點(diǎn)。同時(shí)，iso-HS1 雖然與有效壓力1.0、1.4 MPa 條件下的試驗(yàn)結(jié)果吻合良好，但有效壓力1.8 MPa下NTC區(qū)域的平均偏差約為PRF 與TRF 的2 倍。因此，3 組分iso-HS1 仍有優(yōu)化空間。

2.3 異己烷含量對(duì)滯燃期的影響及其優(yōu)選

為了探究異己烷含量對(duì)表征燃料滯燃期的影響，并進(jìn)一步對(duì)表征燃料的組分及其比例進(jìn)行優(yōu)化，圖6 對(duì)比了3 種異己烷表征燃料的滯燃期計(jì)算結(jié)果。從iso-HS1 到iso-HS3，異己烷含量逐步下降。

圖6 不同異己烷含量表征燃料滯燃期計(jì)算結(jié)果

如圖6 所示，在NTC 區(qū)域，隨異己烷含量的上升，滯燃期隨溫度上升的變化幅度提高。以有效壓力1.0 MPa 條件為例，與NTC 起點(diǎn)的滯燃期相比，iso-HS1、iso-HS2 與iso-HS3 在NTC 終點(diǎn)的滯燃期分別升高了114%、84%及49%，而TRF（可以視為iso-HS 中異己烷含量降為0）對(duì)應(yīng)滯燃期升高了16%，綜合以上結(jié)果，異己烷含量與NTC 區(qū)間滯燃期的上升幅度呈現(xiàn)近似的線性關(guān)系。這表明，在不改變RON 與H/C 的前提下，通過(guò)調(diào)整異己烷的比例，能夠在NTC 溫度區(qū)間基本不變的情況下，有效調(diào)節(jié)NTC 區(qū)域滯燃期的變化幅度。后續(xù)需要從反應(yīng)機(jī)理層面進(jìn)一步解析此現(xiàn)象。

iso-HS2 在peff=1.8、1.4、1.0 MPa 下，NTC 區(qū)域的平均偏差分別為33.5%、5.0%、31.1%，相對(duì)于iso-HS1，除低壓工況平均偏差增大以外，另外2 個(gè)有效壓力下的平均偏差均減小，且最大平均偏差減小；同時(shí)iso-HS2 在3 種有效壓力下NTC 區(qū)域的偏差標(biāo)準(zhǔn)差分別為8.4%、7.5%、5.7%，均不高于iso-HS1；對(duì)最高溫工況，iso-HS2 在3 種有效壓力下的偏差相對(duì)iso-HS1 也分別降低至70.8%、54.7%、34.6%。而iso-HS3 在3 種有效壓力下NTC 區(qū)域的偏差標(biāo)準(zhǔn)差分別為15.9%、13.7%、8.8%，不能良好表征汽油的滯燃期在NTC 區(qū)域變化趨勢(shì)。綜上，3 種iso-HS 中，由（摩爾比例）49.63%異己烷、18.30%異辛烷、26.29%正庚烷以及5.78%甲苯組成的iso-HS2 能更準(zhǔn)確地表征高活性低辛烷值汽油的滯燃期著火特性。

3 結(jié)論

對(duì)一種高活性低辛烷值汽油開(kāi)展了著火滯燃期試驗(yàn)，并基于零維仿真對(duì)比了不同表征燃料對(duì)該汽油著火滯燃期的表征效果。結(jié)論如下：

1）高活性低辛烷值汽油具有寬的負(fù)溫度系數(shù)（NTC）溫度區(qū)間（710～850 K），且隨有效壓力升高，NTC 區(qū)間向高溫移動(dòng)。

2）相對(duì)于PRF 與TRF，含有異己烷的表征燃料呈現(xiàn)更加明顯的NTC 現(xiàn)象，且隨異己烷比例的提高，表征燃料在NTC 區(qū)域滯燃期變化幅度近似線性提高。

3）在3 種異己烷表征燃料中，組分（按摩爾分?jǐn)?shù)計(jì)）為49.63%異己烷、18.30%異辛烷、26.29%正庚烷以及5.78%甲苯組成的表征燃料能更準(zhǔn)確地表征高活性低辛烷值汽油的滯燃期著火特性。