基于快速積碳的汽油清凈增效劑評價(jià)方法研究

劉 斌 盧志美 丁雨青 銀增輝 李騰騰

（中國汽車技術(shù)研究中心有限公司 天津 300300）

引言

日益嚴(yán)格的節(jié)能環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)、碳排放政策對汽車油品提出了新的挑戰(zhàn)。研究表明缸內(nèi)直噴汽油機(jī)的積碳會影響噴霧、缸內(nèi)燃燒、低速早燃等，進(jìn)而影響發(fā)動機(jī)排放和性能[1-2]。國家政策指出要加快油品質(zhì)量升級，2019 年1 月1 日起全面供應(yīng)符合國六標(biāo)準(zhǔn)的車用汽柴油，在車用汽柴油中加入符合環(huán)保要求的燃油清凈增效劑，汽車油品技術(shù)的革新及其對應(yīng)的認(rèn)證研究工作成為油企、添加劑公司和車企關(guān)注的焦點(diǎn)。但目前國內(nèi)針對汽油清凈增效劑的節(jié)能減排效果的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)仍然空缺，我國現(xiàn)有清凈劑相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)主要有GB19592《汽油清凈劑》、《汽油清凈劑對汽油機(jī)進(jìn)氣閥和燃燒室沉積物生成傾向影響的發(fā)動機(jī)臺架試驗(yàn)方法》。這些標(biāo)準(zhǔn)主要用于進(jìn)氣道噴射和非直噴發(fā)動機(jī)，其發(fā)動機(jī)技術(shù)陳舊，已經(jīng)不能滿足新技術(shù)條件下汽油清凈增效劑的評價(jià)試驗(yàn)要求[3]。面對日益革新的發(fā)動機(jī)技術(shù)和越來越嚴(yán)格的排放法規(guī)同時(shí)為了更好地服務(wù)行業(yè)發(fā)展和政府采信，非常有必要建立燃油清凈增效劑節(jié)能減排評價(jià)試驗(yàn)方法。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

目前國外汽油清凈劑發(fā)動機(jī)臺架評價(jià)的方法主要有美國ASTM D6201 FORD 2.3L 發(fā)動機(jī)臺架方法、歐洲的CEC F05 M102E 發(fā)動機(jī)臺架方法和CEC F20 M111 發(fā)動機(jī)臺架方法。ASTM D6201 方法采用Ford 2.3L 發(fā)動機(jī)作為試驗(yàn)發(fā)動機(jī)，用于評定汽油發(fā)動機(jī)燃料生成進(jìn)氣門沉積物的傾向，見表1。歐洲CEC F05方法采用德國梅塞德斯-奔馳公司的M102E 2.3L 汽油機(jī)作為試驗(yàn)用發(fā)動機(jī)，用于評定發(fā)動機(jī)進(jìn)氣閥沉積物生成傾向，M102 法的運(yùn)行工況包括了怠速循環(huán)和低、中、高負(fù)荷的循環(huán)，比Ford 2.3L 法更具有實(shí)際行駛路況的代表性，見表2。試驗(yàn)結(jié)束后，通過對發(fā)動機(jī)進(jìn)氣閥進(jìn)行評分以及對進(jìn)氣閥試驗(yàn)前后進(jìn)行稱重來評定汽油清凈劑的效果。除此之外，歐洲CEC F20方法通過采用德國梅塞德斯-奔馳公司的M111 2.0L汽油機(jī)作為試驗(yàn)用發(fā)動機(jī)，用于評定發(fā)動機(jī)進(jìn)氣閥沉積物和燃燒室沉積物的生成傾向[4-5]，見表3。

表1 ASTM D6201 方法試驗(yàn)循環(huán)工況及參數(shù)

表2 CEC F05 方法試驗(yàn)循環(huán)工況及參數(shù)

表3 CEC F20 方法試驗(yàn)循環(huán)工況及參數(shù)

我國現(xiàn)有的汽油清凈劑標(biāo)準(zhǔn)為GB 19592—2019《車用汽油清凈劑》，除限制汽油清凈劑的理化指標(biāo)外，還限制使用燃油清凈劑后的噴嘴質(zhì)量流量損失率、模擬進(jìn)氣閥沉積物質(zhì)量、平均進(jìn)氣閥沉積物質(zhì)量以及總?cè)紵页练e物質(zhì)量增加率[6]。其中，噴嘴質(zhì)量流量損失率和模擬進(jìn)氣閥沉積物質(zhì)量的測量均在模擬的試驗(yàn)條件下進(jìn)行；平均進(jìn)氣閥沉積物和總?cè)紵页练e物質(zhì)量增加率的測試方法為GB/T 19230.5—2003《汽油清凈劑對汽油機(jī)進(jìn)氣閥和燃燒室沉積物生成傾向影響的發(fā)動機(jī)臺架試驗(yàn)方法（Ford 2.3L 方法）》和GB/T 19230.6—2003《汽油清凈劑對汽油機(jī)進(jìn)氣閥和燃燒室沉積物生成傾向影響的發(fā)動機(jī)臺架試驗(yàn)方法（M111 法）》，這兩種方法均以進(jìn)氣道噴射發(fā)動機(jī)為主要研究對象，采用的試驗(yàn)方法也是模擬的試驗(yàn)條件，與實(shí)際節(jié)能減排情況有較大的差距。

隨著發(fā)動機(jī)技術(shù)的日益革新，渦輪增壓、缸內(nèi)直噴等技術(shù)的應(yīng)用，目前的清凈增效劑評價(jià)方法已不能滿足要求，因此本文提出一種全新的汽油清凈增效劑評價(jià)方法，能夠適用于缸內(nèi)直噴等新型發(fā)動機(jī)，且能夠定量地評價(jià)燃油清凈增效劑節(jié)能減排的能力。

2 評價(jià)方法試驗(yàn)研究

本研究以節(jié)能減排為最終目標(biāo)，能夠真實(shí)、準(zhǔn)確地反映燃油清凈增效劑對發(fā)動機(jī)性能、排放的影響。選用奧地利AVL 臺架測試系統(tǒng)和電力測功機(jī)來進(jìn)行試驗(yàn)，并配備進(jìn)氣溫濕度控制系統(tǒng)、氣象站監(jiān)測系統(tǒng)、冷卻水恒溫系統(tǒng)等來對發(fā)動機(jī)的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行邊界控制，同時(shí)保證測試設(shè)備和環(huán)境的穩(wěn)定性，利用常規(guī)污染物氣體分析儀、微碳煙度計(jì)、顆粒計(jì)數(shù)器等直接監(jiān)測發(fā)動機(jī)尾氣排放水平。

2.1 快速積碳方法

清凈增效劑的一大作用就是清除發(fā)動機(jī)內(nèi)部產(chǎn)生的積碳，所以要想評價(jià)它的清潔作用，就必須首先產(chǎn)生積碳。本研究基于臺架穩(wěn)態(tài)測試工況試驗(yàn)，相比整車輪轂試驗(yàn)，可以實(shí)現(xiàn)更高效更簡易的燃燒室積碳。整個(gè)評價(jià)方法在開發(fā)時(shí)考慮盡可能貼近實(shí)際，能夠真實(shí)模擬汽車發(fā)動機(jī)的運(yùn)行過程。市區(qū)、市郊以及高速混合臺架測試循環(huán)平均車速73.3 km/h，循環(huán)由發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速1 750 r/min、1 900 r/min 和2 250 r/min對應(yīng)的實(shí)測車速40 km/h、60 km/h、90 km/h 三種車速組成，每個(gè)循環(huán)為244.3 km/200 min。圖1 為模擬整車行駛路況并且用于快速積碳的臺架試驗(yàn)工況。程序控制工況切換時(shí)，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩調(diào)整時(shí)間均為30 s，保證運(yùn)轉(zhuǎn)安全穩(wěn)定。

圖1 臺架試驗(yàn)工況

另一方面，結(jié)合圖2 PM 和顆粒物排放也可以看出，PM 排放較大的工況多分布于2 000 r/min 附近50～100N·m 的中低負(fù)荷。PN 排放較大的區(qū)域?yàn)橹懈咿D(zhuǎn)速大負(fù)荷，其次為2 000 r/min 附近50～80N·m 的中低轉(zhuǎn)速。因此，綜合選擇PM 和PN 排放水平均較高的工況更有利于積碳的快速生成[7-8]。

相關(guān)研究表明，發(fā)動機(jī)運(yùn)行一段時(shí)間后會在缸內(nèi)、進(jìn)排氣閥處、噴油器噴嘴處產(chǎn)生明顯的積碳，而其中噴孔內(nèi)產(chǎn)生的積碳會影響噴油的錐角、貫穿距等從而導(dǎo)致噴油量下降[9]。為了彌補(bǔ)修正噴油量，發(fā)動機(jī)ECU會增加噴油脈寬持續(xù)期來維持噴油量的穩(wěn)定，這就是長期燃油脈寬修正系數(shù)。有作者研究表明，長期燃油修正系數(shù)在發(fā)動機(jī)長時(shí)間運(yùn)行后會逐漸從1 上升到1.05，而后維持穩(wěn)定不再上升，說明積碳的形成達(dá)到穩(wěn)定。實(shí)驗(yàn)表明，發(fā)動機(jī)運(yùn)行約3000km 后缸內(nèi)出現(xiàn)明顯積碳且長期燃油修正系數(shù)達(dá)到1.05 保持穩(wěn)定[10]?？紤]到實(shí)際累碳時(shí)間較長，本文選擇在燃油內(nèi)添加適量加速劑來加速發(fā)動機(jī)的積碳過程。選擇叔丁基二硫醚、叔丁基過氧化氫作為加速劑與基準(zhǔn)汽油定量配比使用。因?yàn)閮煞N物質(zhì)都提取自石油，且與基準(zhǔn)燃油相比，加速劑的硫分較多，而叔丁基過氧化氫作為催化劑，能繼續(xù)加速噴嘴積碳的形成，從而達(dá)到快速累碳的目的。表4 為基準(zhǔn)汽油和定量添加加速劑后的汽油理化性質(zhì)指標(biāo)。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，添加加速劑后運(yùn)行約2 000 km 即可形成明顯積碳且此時(shí)長期燃油修正系數(shù)約為1.05，即證明使用加速劑后可以有效加速發(fā)動機(jī)的積碳速度，縮短累碳階段所需里程數(shù)。

表4 基準(zhǔn)汽油及添加加速劑后的燃油指標(biāo)

基于以上考慮并結(jié)合評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)制定整個(gè)評價(jià)方法的試驗(yàn)流程如圖3 所示。整個(gè)流程分為兩大塊，即累碳過程和清潔過程，同時(shí)在兩次過程結(jié)束后都對其進(jìn)行性能和排放的測試用以對比。值得注意的是在第一次連續(xù)累碳之后要進(jìn)行二次性能排放，這會導(dǎo)致長期燃油脈寬修正系數(shù)下降，這是由于排放中選用的高轉(zhuǎn)速高負(fù)荷工況對積碳有一定清除作用，所以在二次性能排放后需再次累碳，使其燃油修正系數(shù)回到二次排放之前的水平。這三次性能排放試驗(yàn)中，第一次主要用于校核發(fā)動機(jī)初始排放和性能以及確定噴嘴的狀態(tài)，滿足一致性和重復(fù)性的要求。第三次性能排放添加清凈增效劑，用于和第二次沒有添加清凈增效劑來進(jìn)行對比，分析汽油清凈增效劑對燃燒及排放和性能的影響。

圖3 汽油清凈增效劑評價(jià)流程

2.2 清潔性能評價(jià)

根據(jù)以上制定的評價(jià)方案及標(biāo)準(zhǔn)，并結(jié)合臺架試驗(yàn)特點(diǎn)，詳細(xì)制定了測試規(guī)程。首先在每次完整試驗(yàn)前用超聲波清洗器徹底清洗噴油器總成，并用標(biāo)定軟件對發(fā)動機(jī)ECU 自學(xué)習(xí)值清除。在整個(gè)評價(jià)過程中，發(fā)動機(jī)所有性能排放試驗(yàn)均不添加加速劑，以避免不必要的影響，污染物排放的測量為后處理裝置前的原機(jī)排放。

在完成二次性能排放試驗(yàn)并在二次累碳完成之后，即開始清凈增效劑的評價(jià)測試環(huán)節(jié)。在基礎(chǔ)汽油當(dāng)中按照一定比例添加汽油清凈增效劑并使其充分混合，添加清凈增效劑之后的循環(huán)工況通過長期燃油修正系數(shù)的變化來反映發(fā)動機(jī)噴嘴處的積碳程度，即反映了汽油清凈增效劑清潔作用的優(yōu)劣；后面的高溫除碳與快速積碳循環(huán)相比增加了高轉(zhuǎn)速高負(fù)荷的工況，這是為了快速清除噴嘴處的積碳，保證在終了排放測試時(shí)不會有積碳的影響。在開始進(jìn)行試驗(yàn)之前需控制發(fā)動機(jī)的各項(xiàng)邊界參數(shù)，如表5 所示。

表5 試驗(yàn)邊界條件控制要求

3 試驗(yàn)論證

為了驗(yàn)證該方法的科學(xué)性和嚴(yán)謹(jǐn)性，選用市面上一款認(rèn)可度較高的清凈增效劑來進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。采用本研究方法來進(jìn)行測試，得到如下結(jié)果，圖4 為轉(zhuǎn)矩的變化趨勢。從圖中可以看出，在完成快速累碳過程之后，發(fā)動機(jī)無論在高轉(zhuǎn)速還是低轉(zhuǎn)速下的轉(zhuǎn)矩都不同程度地降低，這是由于燃燒室內(nèi)積碳后，發(fā)動機(jī)缸內(nèi)尤其是噴嘴處產(chǎn)生大量積碳堵塞了噴嘴，導(dǎo)致噴油量下降同時(shí)噴油霧化較差，從而產(chǎn)生大分子油滴。這些都會導(dǎo)致燃料在缸內(nèi)燃燒不充分，形成積碳進(jìn)而加劇這一過程。而加速劑在其中起到了催化劑的作用，加速了這一過程；在使用清凈增效劑后，發(fā)現(xiàn)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)矩較之前都得到了改善。究其原因，一方面清凈增效劑中含有大分子膠體，對積碳有一定的沖刷、溶解等作用；另一方面清凈增效劑中的抗爆劑、分散劑等成分對燃燒有很好的改善，能使燃燒更加均勻和充分，這也對轉(zhuǎn)矩的提升有一定的效果[11-12]。值得注意的是，使用清凈增效劑后，低轉(zhuǎn)速下發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)矩改善效果較為突出，這是由清凈增效的成分所決定的，這不是本文的重點(diǎn)，故不展開分析。

圖4 發(fā)動機(jī)外特性對比

從污染排放物的角度也能得出相同的結(jié)論，見圖5。由于數(shù)據(jù)量較大，所以挑選具有代表性的25%、50%、75%和100%工況下的THC 排放水平作對比來進(jìn)行分析。從圖中可以看出，使用清凈增效劑之后，大多數(shù)工況下排放水平均得到了很好的改善。這是因?yàn)榍鍍粼鲂┠軌蚴谷紵浞?，減少不完全氧化產(chǎn)物的生成，從而降低排放污染物。NOx和CO 變化趨勢大致相同，便不再贅述。

圖5 THC 變化率

同樣地，加入清凈增效劑之后，燃燒室內(nèi)包括噴嘴處的積碳得到了清除，長期燃油修正系數(shù)下降，噴油量下降而且燃燒充分，都使得燃油消耗量降低，其變化率如圖6 所示。最后，通過計(jì)算可以得出，使用該款汽油清凈增效劑后，平均轉(zhuǎn)矩升高率約為1.87%，平均燃油消耗率下降2.3%，三種主要?dú)怏w排放污染物綜合改善率達(dá)到了11%左右。

圖6 燃油消耗量變化率

4 結(jié)論

本文詳細(xì)介紹了一種針對汽油清凈增效劑的評價(jià)方法，通過基于快速積碳的方法來對汽油清凈增效劑進(jìn)行全面評價(jià)。利用外特性、燃油消耗量、排放污染物等指標(biāo)的變化來評價(jià)使用汽油清凈增效劑對發(fā)動機(jī)的清潔性能、節(jié)能減排性能以及動力提升性能。本研究方法為包括汽油在內(nèi)的燃油清凈增效劑研究開發(fā)提供了評價(jià)方法和參考依據(jù)。