汽油理化特性對整車經(jīng)濟和排放性能影響

李培軍，張曉騰，孔祥恩，趙 揚，劉海峰，堯命發(fā)

(1. 天津中石化悅泰科技有限公司，天津 300384；2. 天津大學(xué) 先進內(nèi)燃動力全國重點實驗室，天津 300350)

隨著世界汽車保有量的快速增長，能源消耗與環(huán)境污染問題日益嚴(yán)重．降低燃油消耗與改善排放成為汽油機研發(fā)的主要目標(biāo)[1-2]．因此，各種發(fā)動機先進技術(shù)如超高噴油壓力[3-4]、可變進/排氣系統(tǒng)[5-6]以及高效后處理系統(tǒng)等[7-8]得到快速發(fā)展．除技術(shù)革新外，國內(nèi)外學(xué)者認(rèn)為燃油本身特性也會對汽油機的燃燒和排放產(chǎn)生顯著影響[9-10]．

左子農(nóng)等[11]研究了不同辛烷值汽油的動力性、經(jīng)濟性和排放特性，結(jié)果表明：相較95 號汽油，97 號汽油指示平均有效壓力最大增幅為4.07%，燃油消耗率最高降幅為2.8%，但總碳?xì)?THC)、CO 和NOx排放略有增加．Zhang 等[12]研究了汽油芳烴含量對汽油機燃燒和排放的影響，結(jié)果表明：增加芳烴含量會增加汽油機顆粒物排放．Yang 等[13-14]研究也得出相似的結(jié)果，且汽油中的總芳烴會顯著增加非甲烷烴、THC、甲醛和苯、甲苯等單環(huán)芳烴排放．Shen 等[15]研究發(fā)現(xiàn)，汽油烯烴含量由10%增至25%可使THC 排放減少約15%，而芳烴含量由35%增至45%，NOx排放增加4%．Andrae 等[16]研究發(fā)現(xiàn)，烯烴有助于增加燃油的反應(yīng)活性．Zhao等[17]研究了烯烴對汽油機排放特性的影響，結(jié)果表明：烯烴有助于降低汽油機碳煙排放．He 等[18]研究發(fā)現(xiàn)，異構(gòu)烷烴、環(huán)烷烴和芳烴對汽油機CO和NOx排放影響較大，而烷烴、烯烴、芳烴和炔烴則對汽油機揮發(fā)性有機物排放影響較大．

餾程是衡量燃油蒸發(fā)的重要指標(biāo)之一，對汽油機的燃燒和排放具有重要影響．Takei 等[19]研究了50%蒸發(fā)溫度(T50)和90%蒸發(fā)溫度(T90)對乘用車排放影響，結(jié)果表明：適當(dāng)降低T50和T90有助于降低THC排放．Qian 等[20]研究發(fā)現(xiàn)，降低T50有助于提高燃油經(jīng)濟性，降低HC、CO 和顆粒物(PM)排放，同時有助于甲烷、乙烷、異戊烷、乙烯、丙烯和乙炔等非常規(guī)排放的降低，但NOx排放有所增加．Zhu 等[21]研究了芳烴、烯烴、T50和T90對缸內(nèi)直噴汽油機排放特性的影響，結(jié)果表明：芳烴和T50對常規(guī)氣體排放的影響大于烯烴和T90，隨著芳烴和T50的降低，顆粒物粒徑和排放總量明顯降低；燃油密度對汽油機的燃燒和排放也會產(chǎn)生顯著影響．Den Ouden 等[22]進行了22 輛歐洲汽車燃用40 種燃油的排放測試，結(jié)果表明：對于沒有后處理的汽車，影響碳煙最重要的燃料特性是密度．Lange 等[23]、Ryan 等[24]也證明降低密度不僅有助于降低碳煙排放，同時也有助于降低NOx、CO 和HC的排放．

燃油不同理化特性之間是相互關(guān)聯(lián)、相互影響的，各種特性的影響很難單獨解耦．現(xiàn)有研究多是針對單一理化特性變化對發(fā)動機燃燒和排放的影響，并未探明燃油不同理化特性的綜合影響規(guī)律．近年來，國內(nèi)外學(xué)者開始利用主成分分析法揭示燃油不同理化特性的綜合影響．劉海峰等[25]利用主成分分析法研究了柴油烴族組分對柴油機排放的影響，結(jié)果表明：柴油機排放主要受總芳烴影響，其中苊類、苊烯類對CO、NOx和碳煙排放影響較為顯著．進一步，劉海峰等[26]利用主成分分析法探明了柴油機質(zhì)量油耗主要受總飽和烴、總芳烴、苊類和苊烯類影響，而體積油耗主要受鏈烷烴、萘、總飽和烴和總芳烴影響．Carvalho等[27]采用主成分分析法研究了純汽油質(zhì)量與成分之間的關(guān)系，并根據(jù)主成分的得分圖和載荷圖，將24個汽油樣本分為4 組，并確定導(dǎo)致這種分離的最重要變量是T50、T90、終餾點、異鏈烷烴、鏈烷烴、環(huán)烷烴和烯烴．

筆者通過一臺裝配進氣道噴射(PFI)汽油機的乘用車，燃用包括加劑89 號汽油、加劑92 號汽油、加劑95 號汽油和成品汽油共34 種燃油，進行新歐洲駕駛循環(huán)(NEDC)試驗，利用主成分分析法全面分析了燃油12 種理化特性對整車經(jīng)濟性和排放性能的影響；將得到的主成分作為描述燃油理化特性對汽車整車性能影響的重要指標(biāo)，以期為燃油特性優(yōu)化提供參考．

1 試驗燃油、試驗設(shè)備與研究方法

1.1 試驗燃油和試驗設(shè)備

試驗通過一臺中國市售自動擋、輕型乘用車進行，裝配一臺自然吸氣、氣道噴射的汽油機，汽車詳細(xì)參數(shù)見表1．

表1 汽車詳細(xì)參數(shù)Tab.1 Detailed parameters of vehicle

試驗燃油共計34 種，包括公司1～5 市售汽油、89 號加劑汽油、92 號加劑汽油和95 號加劑汽油，每種燃油理化特性均有差異，試驗燃油具體理化特性如表2 所示，其中加劑汽油基礎(chǔ)油品均為調(diào)配的試驗油品，2～11 號加劑汽油基礎(chǔ)油品為25 號油品，12～15號加劑汽油基礎(chǔ)油品為26 號油品．

圖1為模擬實際行駛工況的轉(zhuǎn)鼓試驗臺示意．汽車在轉(zhuǎn)鼓上運行模擬實際道路駕駛，尾氣通過稀釋通道模擬尾氣排入大氣環(huán)境過程，稀釋后的尾氣按照固定的流量排進大氣中，并按固定流量引入一部分存在氣袋中．整個試驗過程中，排放分析儀在線測量稀釋尾氣中的氣體排放濃度，同時在試驗循環(huán)結(jié)束后對存放在氣袋中的稀釋尾氣和空氣進行組分濃度分析，試驗中油耗測量結(jié)果和氣體排放結(jié)果均來自氣袋組分分析．表3 為試驗用主要儀器設(shè)備及型號，表4 為儀器設(shè)備的測量誤差．

圖1 轉(zhuǎn)鼓試驗臺示意Fig.1 Schematic of the drum test stand

表3 主要儀器設(shè)備及型號Tab.3 Main equipment models

表4 儀器設(shè)備測量誤差Tab.4 Measurement errors of equipment

表5 KMO和Bartlett的檢驗Tab.5 KMO and Bartlett tests

1.2 研究方法

1.2.1 NEDC 循環(huán)試驗

為了全面評估各種燃油的排放特性和燃油經(jīng)濟性，試驗參考GB 18352.5—2013 中的I 型試驗，其中試驗循環(huán)采用NEDC，共計1 180 s，其中前780 s 為市區(qū)駕駛循環(huán)(UDC)，由4 個相同的ECE-15 循環(huán)組成，每個ECE-15 循環(huán)持續(xù)時間為195 s，后400 s 為市郊駕駛循環(huán)(EUDC)．圖2 為NEDC 的速度-時間曲線．

圖2 NEDC的速度-時間變化Fig.2 Variation of velocity-time of NEDC

為了反映出燃油理化特性對汽車排放性能的影響，筆者測量三效催化器前的汽車原始排放．試驗前車輛靜置12 h 以上，考慮到現(xiàn)代汽車起停技術(shù)的廣泛應(yīng)用，造成汽車的熱狀態(tài)起動較冷狀態(tài)起動更為頻繁，為了獲得更接近汽車實際運行狀態(tài)的數(shù)據(jù)，每種燃油分別進行了1 次冷狀態(tài)起動的NEDC，以預(yù)熱發(fā)動機．為了確保試驗數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，每種燃油至少進行了2 次重復(fù)的NEDC 測試．測試過程中，實際車速與理論車速誤差小于1 km/h．

為了保證數(shù)據(jù)的可靠性，試驗過程中胎壓保持為0.228～0.230 MPa，室溫保持為25 ℃，同時定期更換機油、空氣濾清器和機油濾清器．每次更換燃油時完全排空油箱和燃油濾清器及外部汽油管路中的燃油，并更換燃油濾清器，再用下一組待試驗的燃油進行油箱和管路清洗．正式試驗前，使汽車在車速為70～90 km/h 下運行20 min 以上，以排除上一組試驗燃油干擾．根據(jù)碳平衡法計算車輛的百公里油耗．

1.2.2 主成分分析法及其分析過程

主成分分析法是采用降維和簡化的思想，在損失較少信息的前提下將多個變量轉(zhuǎn)變?yōu)樯贁?shù)幾個綜合指標(biāo)的多元統(tǒng)計方法．

轉(zhuǎn)化生成的綜合指標(biāo)被稱為主成分，每個主成分都是原始變量的線性組合．根據(jù)原始變量在主成分上的載荷，可以篩選出與主成分具有明顯相關(guān)關(guān)系的變量；同時，通過觀察主成分與因變量之間的關(guān)系，可以判斷原始變量是否與因變量有關(guān)．主成分詳細(xì)分析方法可參見文獻(xiàn)[28]．

設(shè)Zi表示第i個主成分，Xi表示第i個原始變量，且i＝1，2，…，p，各主成分與各原始變量之間的關(guān)系可表示為式(1)．其中對于每個主成分Zi，均有

表 5 為 Kaiser-Meyer-Olkin(KMO)和 Bartlett的檢驗值，用于檢驗各原始變量之間有無關(guān)聯(lián)程度．KMO 取值越高說明變量之間的相關(guān)性越好．Bartlett 的球形度檢驗系數(shù)取值越低說明變量之間的相關(guān)性越好．兩者用于確保數(shù)據(jù)樣本的質(zhì)量和可靠性．在KMO≥0.6、Sig≤0.05 的情況下主成分分析適用，而筆者試驗的數(shù)據(jù)樣本符合要求，適合進行主成分分析．

圖3 為各主成分的貢獻(xiàn)率和累計貢獻(xiàn)率．一般情況下主成分累計貢獻(xiàn)率超過80%即可使用并代替原始變量進行分析[28]．PC1為第一主成分，同理，PCx為第x主成分．可知，前3 個主成分能夠解釋原始變量總信息的83.68%，并且第一主成分、第二主成分與第三主成分的特征值差值比較大，而其他特征值差值比較小，因而保留3 個主成分能夠概括絕大部分原始變量信息．

圖3 主成分的貢獻(xiàn)率和累計貢獻(xiàn)率Fig.3 Contribution rate and cumulative contribution rate of principal component

表6 為34 個燃油樣本的主成分得分，y1～y3分別表示第一主成分、第二主成分和第三主成分得分，其可以代替原始變量對整車性能進行分析．

表6 主成分得分Tab.6 Scores of principal component

2 結(jié)果與討論

2.1 主成分得分與燃油理化性質(zhì)的關(guān)聯(lián)分析

圖4 為主成分的載荷．某一變量在第k主成分上的載荷表示了其對第k主成分的貢獻(xiàn)，絕對值越接近1 則表示貢獻(xiàn)越大且相關(guān)性越強，載荷為正說明此變量與第k主成分呈正相關(guān)，反之呈負(fù)相關(guān)．由圖4 可知，大部分原始變量在第一主成分上的載荷絕對值最高，在第二主成分上的載荷絕對值次之，而在第三主成分上的載荷絕對值最低，說明大多數(shù)原始變量與第一主成分密切相關(guān)．RON、密度、蒸氣壓(RVP)、初餾點、T5、T10、芳烴含量和終餾點等8 個原始變量在第一主成分上的載荷絕對值均高于0.70，多數(shù)達(dá)到0.88以上，而在其他兩個主成分上的載荷絕對值均低于0.30，多數(shù)位于0.10 以下，表明僅采用第一主成分就可以較好地表示這8 個原始變量攜帶的相關(guān)信息．而重芳烴含量、T50、T90和烯烴含量等4 個原始變量在兩個或三個主成分方向上的載荷分布較為均勻，即需要采用兩個或三個主成分才可以充分表示出這4 個變量攜帶的相關(guān)信息．

圖5為34 個燃油樣本的主成分得分與12 個原始變量的關(guān)系．可得到主成分得分與原始變量之間的關(guān)系，其中僅展示相關(guān)系數(shù)大于0.60 的關(guān)系(具有較強線性相關(guān)性)．可知，第一主成分得分與蒸氣壓呈較強的負(fù)相關(guān)關(guān)系，而與密度、初餾點、T5、T10、芳烴含量、終餾點和RON 呈較強的正相關(guān)關(guān)系．第一主成分得分高的燃油意味著蒸氣壓低，而密度、初餾點、T5、T10、芳烴含量、終餾點和RON 高．初餾點、T5、T10和終餾點反映出了燃油的餾程特性，其與燃油的蒸發(fā)性和輕重組分含量密切相關(guān)，從餾程數(shù)據(jù)可大致判斷燃油中、輕、重、餾分的比例及蒸發(fā)性能[9]．餾程溫度升高則燃油中芳烴等重組分含量增加，而由于芳烴等重組分難于蒸發(fā)及分子質(zhì)量較大，相應(yīng)的蒸氣壓和密度則會分別出現(xiàn)降低和增加的趨勢．對于燃油烴族組分，RON 的貢獻(xiàn)率為芳烴＞異構(gòu)烷烴＞環(huán)烷烴＞正構(gòu)烷烴[29]，因而芳烴含量的增加也會導(dǎo)致RON 提高．可見，生成的第一主成分不僅與汽油理化特性原始變量密切相關(guān)，還兼顧了各變量之間的相關(guān)關(guān)系，能夠替代原始變量對整車性能進行分析．借助生成的主成分可以篩選對于整車性能具有顯著影響的汽油理化特性，從而揭示汽油不同理化特性的綜合影響．此外，第二主成分得分與重芳烴含量和T90呈較強的負(fù)相關(guān)關(guān)系，第二主成分得分高的燃油意味著重芳烴含量和T90低．重芳烴是燃油蒸發(fā)過程中最后蒸發(fā)的物質(zhì)，其含量增加顯然會導(dǎo)致T90升高．第三主成分得分與烯烴含量呈較強的正相關(guān)關(guān)系，第三主成分得分高的燃油有較高的烯烴含量．通過采用主成分分析，筆者將燃油的12 種理化特性降維為3個主成分，并且通過計算相關(guān)系數(shù)篩選出了與各主成分得分具有密切相關(guān)的理化特性．

圖5 主成分得分與原始變量關(guān)系Fig.5 Relationship between principal component score and original variable

2.2 主成分得分與整車性能的關(guān)聯(lián)分析

圖6為34 個燃油樣本的主成分得分與汽車低速工況(UDC)性能的關(guān)系．由于CO 和HC 等排放與主成分得分的相關(guān)性較差，因而僅展示與主成分得分具有明顯相關(guān)性的整車性能指標(biāo)．

圖6 主成分得分與UDC性能關(guān)系Fig.6 Relationship between principal component score and UDC performance

可知，在UDC 中，第一主成分得分與百公里油耗、當(dāng)量百公里油耗以及CO2排放呈較強的相關(guān)性．第一主成分得分較低的燃油百公里油耗、當(dāng)量百公里油耗以及CO2排放較低．結(jié)合圖5 可知，在燃油性能優(yōu)化及選擇時，提高燃油的蒸氣壓至69～72 kPa、降低燃油的密度至720～730 kg/m3、降低初餾點至35～37 ℃、降低T5至40～43 ℃、降低T10至48～52 ℃、降低芳烴含量至22%～26%、降低終餾點至169～176 ℃以及降低RON 有助于第一主成分得分的降低，進而可以降低車輛UDC 下的百公里油耗、當(dāng)量百公里油耗以及CO2排放，其中百公里油耗最高降幅為14.80%，當(dāng)量百公里油耗最高降幅為18.57%，CO2排放最高降幅為18.14%．餾程溫度的降低和蒸氣壓的提高改善了燃油的霧化蒸發(fā)效果，并使燃油當(dāng)量比分布更加均勻，有助于提高燃油的燃燒性能并降低油耗[30]．芳烴含量增加時總?cè)紵龝r間延長、燃燒效率降低[31]，因而油耗增加，降低芳烴含量有助于降低油耗．UDC 工況下缸內(nèi)溫度較低且混合氣較為稀薄，降低燃油的RON 有助于縮短著火落后期[32]，從而減少過度混合和促進更快的燃燒[30,32]，進而降低油耗．

同時，在UDC 中，第三主成分得分與NOx排放呈較強的相關(guān)關(guān)系．第三主成分得分較低的燃油NOx排放較低．結(jié)合圖5 可知，降低燃油的烯烴含量至4%～8%可以降低車輛UDC 下的NOx排放，最高降幅為32.61%．降低烯烴含量有助于降低火焰?zhèn)鞑ニ俣群头磻?yīng)活性，因而高溫區(qū)域不易形成，從而有助于降低NOx排放[33]．

圖7 為34 個燃油樣本的主成分得分與汽車熱狀態(tài)起動下高速工況(EUDC)性能的關(guān)系．在EUDC中，第三主成分得分和NOx排放呈較強的相關(guān)關(guān)系，第三主成分得分較低的燃油NOx排放較低，這與車輛在UDC 工況下的表現(xiàn)一致．降低燃油的烯烴含量至4%～8%可以降低車輛在EUDC 循環(huán)下的NOx排放，最高降幅為14.01%．

圖8為34 個燃油樣本的主成分得分與汽車熱狀態(tài)起動下的NEDC 工況性能的關(guān)系．對比圖6 可知，車輛在NEDC 下第一主成分得分與當(dāng)量百公里油耗的關(guān)系減弱，但第一主成分得分與CO2排放仍呈較強的相關(guān)關(guān)系．第一主成分得分較低的燃油CO2排放較低，伴隨燃油第一主成分得分提高，多數(shù)燃油CO2排放增加．結(jié)合圖5 可知，提高燃油的蒸氣壓至69～72 kPa、降低燃油的密度至720～730 kg/m3、降低初餾點至35～37 ℃、降低T5至40～43 ℃、降低T10至48～52 ℃、降低芳烴含量至22%～26%、降低終餾點至169～176 ℃及降低RON 可以降低車輛在NEDC 下的CO2排放，最高降幅為12.40%．同時，第三主成分得分與NOx排放呈較強的相關(guān)關(guān)系，當(dāng)?shù)谌鞒煞值梅州^低時，NOx排放較低，伴隨燃油第三主成分得分增加，多數(shù)燃油NOx排放增加．可知，降低燃油的烯烴含量至4%～8%可以降低車輛在NEDC下的NOx排放，最高降幅為21.79%．

3 結(jié) 論

(1) 第一主成分得分高的燃油蒸氣壓較低，密度、初餾點、T5、T10、芳烴含量、終餾點和RON 較高；第二主成分得分高的燃油重芳烴含量和T90較低；第三主成分得分高的燃油烯烴含量較高．

(2) 第一主成分得分低的燃油在UDC 和NEDC下的CO2排放較低，同時在UDC 下的百公里油耗和當(dāng)量百公里油耗較低．

(3) 第三主成分得分低的燃油在UDC、EUDC和NEDC 下的NOx排放較低．