辛烷值对现代汽油机性能的影响

成都，2007年8月中国内燃机学会燃烧净化节能分会2007年学术年会论文集辛烷值对现代汽油机性能的影响沈义涛，帅石金，王建昕（清华大学汽车安全与节能国家重点实验室，北京100084）摘要:本文在一台满足欧IV排放法规的汽油机上，通过台架试验，对三种不同辛烷值汽油的动力性、燃油经济性、燃烧特性和排放特性进行了研究。试验结果表明：提高汽油的辛烷值，对提高中低转速大负荷时的动力性和经济性有一定作用，而对高转速时的动力性没有影响，经济性则存在不利影响；辛烷值低，着火落后期稍短；低辛烷值汽油的THC、CO和NOX排放整体低于高辛烷值汽油，降幅在14%以内。关键词:汽油机；辛烷值；性能；试验引言随着汽车排放法规的加严，世界各国对汽油品质的要求越来越高，辛烷值作为一个重要的汽油油品指标受到了越来越多的关注。目前社会上许多人认为，提高了汽油辛烷值之后，就可以相应提高汽油机的压缩比，从而提高汽油机的热效率，改善其经济性。但随着发动机技术的不断发展，尤其是现代汽油机中爆震反馈系统的使用，使得汽油机对辛烷值的敏感程度有所降低，因而重新认识辛烷值对汽油机性能的影响很有必要。根据试验方法的不同，辛烷值分为研究法辛烷值（RON）和马达法辛烷值（MON）。世界各国由于炼制工艺的不同，其汽油组分不一样，汽油辛烷值也不尽相同。例如欧洲以催化重整为主，汽油中芳烃含量高，因此其辛烷值较高，而美国和日本则以催化重整与催化裂化为主，辛烷值较低。我国以催化裂化为主，最低辛烷值要求为RON=90，与美国和日本相近。我国应制定什么样的辛烷值要求，是一个值得研究的问题。国外针对辛烷值问题开展了一些研究工作[1-5]。日本清洁空气项目（JCAP）结果表明，提高汽油辛烷值，并同时提高发动机的压缩比，可以改善燃油经济性，例如将辛烷值从90提高到95，可以改善油耗3%～4%左右[1]。日本JOMO（矫马）研究表明，辛烷值高于95后对动力性和排放都没有影响[2]。Cosmo（科斯莫）在一台分层汽油缸内直喷（GDI）发动机上研究结果表明，将辛烷值从90降到74，可以提高指示热效率3%[3]。还有研究者发现燃用辛烷值过高的汽油，不但对发动机没有带来益处，反而使得发动机在部分负荷时的燃油消耗率增加[6]。另外，从炼油工业角度来说，辛烷值越高，原油产能率越低，成本越高，这也是需要给予考虑的因素。因此，很有必要研究辛烷值对现代汽油机的影响，为合理制定我国未来汽油标准的辛烷值要求提供依据。1试验方法和测试装置试验在一台满足欧IV排放标准的汽油机上进行，发动机的主要技术参数见表1。表1发动机的主要技术参数型号直列，四冲程，水冷，自然吸气缸数4缸径×行程82.5mm×92.8mm排量1.984L压缩比10.3:1试验中用到的三种标号的汽油，90号、93号和97号，经测试其主要指标见表2。表2试验用油的主要指标名称90号93号97号研究法辛烷值9093.997氧含量%(wt)00.241.8密度(20ºC)(g/cm3)0.7220.7220.746初馏点(ºC)41413610%蒸发温度(ºC)61615850%蒸发温度(ºC)95959690%蒸发温度(ºC)163163150由于发动机装有爆震传感器，因此对不同油品进行试验时，由发动机ECU自行控制点火提前角。试验中通过Kistler6125B型火花塞式缸压传感器测量示功图，并据此计算燃烧放热率。通过AVL公司的CEB-Ⅱ排放分析仪测量CO、THC和NOX排放，试作者简介：沈义涛(1982－)，男，博士研究生，籍贯：湖北省潜江市，研究方向：燃料品质与排放控制。资助项目：北京市重大项目“满足欧Ⅳ排放标准的清洁燃油组成与排放关系的研究”E-mail:[e-mail]验中所测排放均为发动机出口排放。2性能试验结果及分析2.1动力性三种不同辛烷值汽油在外特性中的动力性表现如图1所示。从图可以发现，在4000r/min转速以下，97号汽油的动力性要明显好于其它两种标号汽油，其转矩最大升高了4.6%，93号汽油在部分工况点也好于90号汽油，转矩升高1%～2%。在高于4000r/min后，三种标号汽油的动力性无差别，这说明在该机上燃用高标号汽油对提高动力性有一定作用。由于97号汽油的抗爆性好，因此燃烧97号汽油的点火提前角明显早于其它两种标号汽油，最大时能相差5ºCA，如图2所示，从而使得该标号汽油的燃烧更加靠近上止点，提高燃烧过程的等容度和热效率，在每循环输入缸内能量接近的情况下，热效率越高则有效输出功率越高，动力性越好。在高转速时，点火提前角接近，因此输出功也接近。10002000300040005000600004080120160Tq(N.m)n(r/m)90#93#97#图1外特性转矩10002000300040005000600003691215n(r/m)SparkAdvance(oCA)90#93#97#图2外特性点火角2.2燃油经济性在外特性工况下，三种不同辛烷值汽油的燃油消耗率对比情况如图3所示。中低转速阶段，90号汽油的油耗高于其它两种标号汽油，最大时有效燃油消耗率相差达到4%。在高转速阶段，97号汽油的油耗平均高于其它两种标号汽油5%左右，而就整个转速范围而言，93号汽油的经济性优于其它两种标号汽油。由此可见，在不同的转速工况下，辛烷值对经济性的影响效果不同，在低转速高负荷时，爆震倾向相对严重，因此辛烷值高，爆震被抑制，对燃烧有利，从而提高了经济性；在高转速时，由于爆震倾向相对较弱，利用高辛烷值抑制爆震强度的作用体现不出来，不同辛烷值所对应的点火提前角差别不明显，而此时高辛烷值会导致燃烧推迟，恶化燃烧过程，降低发动机的热效率和燃油经济性。综上所述，对该发动机而言，高标号汽油和低标号汽油对燃油经济性都不利，只有燃用93号汽油时才是最优的。如果考虑燃料成本，则对该发动机而言，燃用97号高标号汽油时的经济性最差。推广来说，对每款发动机，都存在一个最优的辛烷值要求，如果高于此要求值，则是不合理的。100020003000400050006000200250300350400450be(g/kw.h)n(r/m)90#93#97#图3不同辛烷值汽油的燃油消耗率比较2.3排放特性在n=2000r/min和3500r/min两个转速下，四个不同的负荷点测量了三种汽油的NOX、THC和CO排放，对比情况如图4所示。NOX排放如图4.a所示，在2000r/min转速下，93和97号汽油的NOX排放都高于90号，其原因是93和97号都含氧，因此NOX排放会升高。在最高负荷时97号的NOX排放要高于其它两种，这是由于其点火角提前了6ºCA。在3500r/min下，90和93号汽油的NOX排放接近，而97号汽油的NOX排放要高于前两者，平均相差13%左右，这说明含氧量低时在高转速下对NOX排放影响不明显，而含氧量高时则在高转速时也会导致NOX排放升高。THC排放如图4.b所示，在两个转速下都存在相似的规律，90和93号的THC和CO排放接近，而且都低于97号，尤其是在大负荷点，最大相差达到14%，其原因是90和93号汽油在大负荷时的点火提前角小于97号，因此它们的燃烧比较靠后，这对降低THC排放有利。虽然含氧对降低THC排放有利，但是在这里燃烧推迟的影响更加突出，因此97号汽油的THC最终是相对升高。而CO排放则如图4.c，其规律和THC排放相同，最大时相差8%。综上所述，该发动机燃用90和93号汽油时，NOX、THC和CO排放都相对要低，而97号汽油的则相对要高，这说明对该发动机燃用低标号汽油对排放有利，而燃用高标号汽油对排放不利。0.00.20.40.60.81.001000200030004000n=2000r/mNOx/ppmBMEP/Pa90#93#97#0.00.20.40.60.81.0010002000300040005000BMEP/PaNOx/ppmn=3500r/m90#93#97#a)NOX0.00.20.40.60.81.00500100015002000HC/ppmBMEP/Pa90#93#97#n=2000r/mb)THC0.00.20.40.60.81.0030060090012001500n=3500r/mHC/ppmBMEP/Pa90#93#97#b)THC0.00.20.40.60.81.0400050006000700080009000n=2000r/mCO/ppmBMEP/Pa90#93#97#0.00.20.40.60.81.00.00.30.60.91.21.5CO/%BMEP/Pan=3500r/m90#93#97#c)CO图4不同辛烷值汽油的排放比较3辛烷值对燃烧特性的影响在n=2000r/min条件下进行了燃烧特性的测试分析，从而能解释上述试验结果，特别是关于不同辛烷值排放差异的现象。三种不同辛烷值汽油在不同负荷下的示功图和放热率曲线如图5所示。观察图5可以发现，在小负荷时，三种辛烷值的燃烧过程相同，只有在大负荷时，随着辛烷值的降低，燃烧过程推后，而且负荷越大，推后越明显，这会造成动力性有所损失，但是可以明显降低排放。6606907207507808100100020003000-5051015200.00.51.01.52.090#93#97#缸内平均温度(k)缸内平均压力(MPa)瞬时放热率(J/oCA)曲轴转角(oCA)a)BMEP=0.19MPa6606907207507808100100020003000010203040012390#93#97#缸内平均温度(k)缸内平均压力(MPa)瞬时放热率(J/oCA)曲轴转角(oCA)b)BMEP=0.44MPa660690720750780810010002000300002040600123490#93#97#缸内平均温度(k)缸内平均压力(MPa)瞬时放热率(J/oCA)曲轴转角(oCA)c)BMEP=0.69Mpa660690720750780810010002000300002040600123490#93#97#缸内平均温度(k)缸内平均压力(MPa)瞬时放热率(J/oCA)曲轴转角(oCA)d)BMEP=0.88MPa图5不同辛烷值汽油的示功图和放热率比较3.1着火落后期通过对图5中的燃烧过程分析，可以得到三种辛烷值的汽油在不同负荷下着火落后期的对比情况，见图6。从图中可以看出，90和93号汽油的着火落后期相同，都低于97号，尤其是在大负荷时，其原因是90和93号的点火相对靠后，此时缸内温度要稍高，利于火焰的形成与传播。另外，辛烷值低的燃料着火也相对容易，因此它们的着火落后期要短。0.00.20.40.60.81.010203040BMEP(MPa)90#93#97#着火落后期(oCA)图6不同辛烷值汽油的着火落后期比较3.2燃烧持续期三种辛烷值汽油在不同负荷下燃烧持续期的比较，见图7，它们的燃烧持续期基本相同，这说明这三种汽油的火焰传播速度没有明显差别。由于燃烧持续期与等容度相关，从而热效率相关，在燃烧始点相位不变的情况下，燃烧持续期直接反应热效率，因此在小负荷时，三种汽油的热效率相同，经济性差别不大。在大负荷时，燃烧始点出现变化，在燃烧持续期不变时，燃烧越接近上止点则热效率越高，因此97号油的热效率较高，对提高燃油经济性有利，这与外特性中低转速时的情况相似。0.00.20.40.60.81.002040608010090#93#97#BMEP(MPa)燃烧持续期(oCA)图7不同辛烷值汽油的燃烧持续期比较3.3最大放热率如图8所示，在中小负荷时，三种汽油的最大放热率相同；在大负荷时，由于90和93号推迟了点火提前角，导致放热推迟，从而使得最大放热率明显低于97号，大约降低了10%。最大放热率也是反应放热的快慢的一个指标，最大放热率越高，放热越快，对提高热效率和改善经济性有利，因此大负荷时燃用97号油可以提高燃油经济性。0.00.20.40.60.81.00204060801009