不同辛烷值汽油对增压直喷汽油机影响的研究.docx

不同辛烷值汽油对增压直喷汽油机影响的争论左子农;曾东建;麦华志;韩志强;裴毅强;李翔【摘 要】The effect of octane number on engine power output , fuel consumption , and exhaust emissions were investigated for a turbo- charged gasoline direct injection ( T-GDI) engine through bench test .The test results show that the power performance of the en-gine fueled with high octane gasoline could be improved , and the IMEP of the engine fuelled with 97#gasoline was up to 4.07%higher than that of 97#gasoline at the external characteristic of 2023r/min.The fuel consumption of the engine fuelled with 97#gasoline was lower than that of 95#under test conditions , and the decrease got bigger at the medium load , the maximum decrease was up to 2.8%when the speed reached 2023r/min and the BMEP reached 0.9MPa.High octane number gasoline was adverse to reduce THC and CO and NOx emission pared with 95#gasoline, CO and THC emissions were increased significantly at high load under the test speed . NOx emissions were influenced by speed and load , it increased obviously at higher speed with load increased .%通过台架试验，在涡轮增压缸内直喷 T-GDI汽油机上争论辛烷值对车用汽油机动力性、经济性和排放的影响。试验结果说明：高辛烷值汽油能够提高汽油机的动力性，97 号汽油在2023 r/min 时的外特性指示平均有效压力相对于 95 号汽油升幅达 407；在试验工况下，燃用高辛烷值汽油能够改善发动机的燃油经济性，中等负荷时油耗率降幅较大，而低负荷和高负荷时油耗率的降幅都较小，转速为 2023 r/min，制动平均有效压力为 09 MPa 时油耗率最大降幅达 28；燃用高辛烷值汽油对降低 THC、CO 和 NOx 排放不利，97 号汽油与 95 号汽油相比，大负荷时 CO 和THC 的排放明显增加， NOx 排放受转速和负荷共同影响，97 号汽油与 95 号汽油相比，中高转速时随着负荷的增大，NOx 的排放明显增加。【期刊名称】西华大学学报自然科学版【年(卷),期】2023(000)001【总页数】7 页(P72-78)【关键词】涡轮增压缸内直喷;辛烷值;动力性;燃油经济性;排放【作 者】左子农;曾东建;麦华志;韩志强;裴毅强;李翔【作者单位】西华大学交通与汽车工程学院，四川 成都 610039;西华大学交通与汽车工程学院，四川 成都 610039;中国汽车技术争论中心，天津 300300;西华大学交通与汽车工程学院，四川 成都 610039;天津大学内燃机燃烧学国家重点试验室，天津 300072;天津大学内燃机燃烧学国家重点试验室，天津 300072【正文语种】中 文【中图分类】TK418.9随着汽车保有量的增加，对燃料的需求不断增长，能源供需的紧急状况变得越来越严峻，因此内燃机应当向着更加节能和环保的方向进展。缸内直喷汽油机(GDI)因其低排放和节能的优势，已成为车用汽油机一个重要的进展方向1。由于直接喷入汽缸燃料的雾化、蒸发吸热作用使发动机的进气得到冷却，GDI 发动机可以承受更大的压缩比；然而，汽油的性质打算发动机压缩比只能局限于肯定的限度内， 否则就会消灭爆震，因此，缸内直喷汽油机对其所燃用的汽油辛烷值要求较高。依据测试方法的不同，辛烷值分为争论法辛烷值( RON )和马达法辛烷值(MON)。世界各国由于汽油炼制工艺不同，其汽油组分不一样，汽油辛烷值也不尽一样 2。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；美国和日本则以催化重整与催化裂化为主，辛烷值相对较低；我国以催化裂化为主,烯烃含量较高，车用汽油最低争论法辛烷值要求为 90， 与美国和日本接近3。国外针对辛烷值的争论主要集中在动力性和燃油经济性这 2 方面，对排放的争论相对较少4-8。日本清洁空气工程(JCAP)争论结果说明，提高辛烷值，并同时提 高发动机压缩比， 可降低油耗 3% 4%4。日本 JOMO 公司通过加速工况法争论了辛烷值对车辆性能的影响，车辆所要求辛烷值约为 95，结果说明 RON 高于95 后对加速性和排放都没有影响， 但低于 90 后加速性降低，THC、CO 排放上升5。也有争论觉察，燃用过高辛烷值的汽油，不但对发动机没有好处，还可能 会导致发动机的燃油消耗率增加8。国内针对辛烷值对汽油机影响的争论较少。 综合国内外争论结果，可看出辛烷值对排性、动力性和经济性的影响规律还没有全都结论9。因此，对缸内直喷汽油机燃用不同辛烷值汽油进展争论具有重要意义。本文着重争论了辛烷值对涡轮增压缸内直喷(T-GDI)汽油机动力性、经济性、排放的影响，为合理制定我国将来的汽油标准供给了理论和试验数据。1 试验设备1.1 试验发动机与试验台架试验在一台满足国排放标准的直列四缸四冲程 T-GDI 发动机上进展，其根本参数如表 1 所示。该发动机配备了爆震传感器，因此进展不同油品试验时，ECU 可以对点火提前角进展掌握。试验台架布局如图 1 所示，2 个油箱分别加注不同辛烷值汽油，试验时通过阀门开闭转变油路。试验台架主要设备型号如表 2 所示。表 1 发动机主要技术参数 工程参数排量 1.6L 缸径/mm×行程/mm79.7×81.1 工作方式涡轮增压气缸排列形式直列四缸压缩比 9.5 最大功率/kW140 最大功率转速/(r/min)5 600 最大扭矩/(N·m)240 最大扭矩转速/(r/min)2 0005 000图 1 试验台架布局示意图表 2 试验台架主要设备型号设备名称型号测功机 AVL SCHNEIDER ELECTRIC POWER DRIVES INDV S33- 411400-1BS-1 油耗仪 AVL7531CST (测量单元)AVL753CH (温控单元)排放仪AVL AMA i60 空燃比传感器 ETAS LA4 缸压传感器 Kistler 6117BFD16(火花塞式) 电荷放大器 Kistler 5018A 燃烧 AVL INDICOM V2.41.2 试验方法和试验用油试验中，分别在 2 个独立油箱加注不同辛烷值的汽油，通过阀门开闭切换油路。为保证试验结果的准确，切换油路后，发动机必需运转 30 min，消耗油路中旧油， 使其布满油后再开头试验。试验过程中，每组数据均在发动机工况稳定后平行测 量 3 次。试验过程中掌握冷却水温在 85±1 之间，机油温度在 90±1 之间，以消退发动机冷却水温顺机油温度对测量结果的影响。试验所用发动机电子掌握单元(ECU)为车用 ECU，可以敏捷准确地依据工况的转变对发动机的工作进展调整。通过外特性试验争论辛烷值对发动机动力性的影响，通过负荷特性试验争论辛烷值在试验工况下对燃油经济性和排放的影响。利用缸压传感器采集缸内燃烧压力数据，之后利用 AVL 公司 INDICOM V2.4 燃烧对缸压数据进展计算处理。试验油品皆为特制调配的试验用油，选用了 95 号和 97 号 2 种不同辛烷值，其主要参数如表 3 所示。表 3 试验用油主要参数工程 95 号 97 号争论法辛烷值 95.497.3 密度(20)/(g·cm-3)0.7620.748 初馏点/393510%蒸发温度/615650%蒸发温度/1039390%蒸发温度/154148 2 试验结果及分析2.1 动力性在试验用汽油机上分别燃用 95 号和 97 号汽油，其外特性指示平均有效压力(IMEP)曲线如图 2 所示。图 2 辛烷值对汽油机外特性指示平均有效压力的影响在发动机节气门全开条件下，97 号汽油 IMEP 大于 95 号汽油，在中低转速时差值最为明显。燃用 97 号汽油与 95 号汽油相比，1 0001 250 r/min 时，IMEP增幅为 1.1%1.6%；1 5001 750 r/min 与 2 250 r/min 至 2 750 r/min 时， 增幅为 2.0%2.5%；2 000 r/min 时，IMEP 增幅最大，到达 4.07%；3 0005 600 r/min 时，增幅为 0.8%1.4%。这说明在该发动机上燃用高标号汽油能够提高发动机的动力性，在中低转速最为明显，最大扭矩点时增幅最大。为深入分析辛烷值对发动机动力性能的影响，现对 2 000 r/min 和 3 000 r/min的燃烧数据进展分析。图 3 为辛烷值对汽油机外特性点火提前角的影响。图 3 辛烷值对汽油机外特性点火提前角的影响在外特性点上，97 号汽油点火提前角明显大于 95 号汽油。这是由于燃用低辛烷值汽油时，特别是在中低转速大负荷，爆震倾向大，此时，爆震传感器将信号反响至 ECU，ECU 将点火提前角推迟。在 1 750 r/min 和 2 000 r/min 时点火提前角最大推迟了 3 °CA。点火提前角的变化会带来燃烧的转变。图 4 为燃用不同辛烷值汽油外特性点缸压与放热率曲线。(a) n=2 000 r/min(b) n=3 000 r/min 图 4 燃用不同辛烷值汽油外特性点缸压与放热率曲线从图 3 可以看出，2 000 r/min 时，95 号汽油点火提前角相对 97 号汽油延迟3 °CA，3 000 r/min 时为 1 °CA。图 4 中，对于不同辛烷值汽油，随着点火提前角的延迟，最高爆发压力降低，最高爆发压力所对应的曲轴转角也向后推迟，而且这种趋势随着点火提前角延迟的增加渐渐变大。本文定义的燃烧持续期为累计放热率 5% 90%所经受的曲轴转角。图 5 为燃用不同辛烷值汽油时外特性点燃烧持续期。结合图 4 和图 5，可知 95 号汽油与 97 号汽油相比，随着点火提前角的延迟，混合气膨胀比降低，最高燃烧压力点曲轴转角推迟，后燃增加，燃烧速度减缓， 燃烧持续期增加。同时，最大压力点的推迟增加了燃料燃烧时的传热面面积，使传 热损失增加，以上因素导致热效率和燃烧等容度降低，最终导致动力性降低。高辛 烷值汽油具有更好的动力性，在中等转速时表现最为明显。图 5 燃用不同辛烷值汽油外特性点燃烧持续期2.2 燃油经济性通过负荷特性试验，比照了发动机燃用不同辛烷值汽油在 2 000、3 000、5 600 r/min 负荷特性时的经济性,结果如图 6 所示，其中 BMEP 为制动平均有效压力。图 6 辛烷值对汽油机负荷特性油耗率的影响如图 6 所示，在 2 000、3 000 和 5 600 r/min 时，97 号汽油的燃油消耗率低于95 号汽油。在 2 000 r/min 时，中低负荷，97 号汽油与 95 号汽油相比，油耗率降低 1.1%2.8%，大负荷时，降幅为 1.0%1.1%；3 000 r/min 时，在中低负荷，97 号汽油与 95 号汽油相比，油耗率降低 1.5%2.7%，大负荷时，降幅为1.0%；5 600 r/min 时，在中低负荷，97 号汽油与 95 号汽油相比油耗率降低1.0%2.1%，大负荷时，降幅为 0.4%0.6%：由此可知，与 95 号汽油相比，97 号汽油油耗率在中等负荷时降幅较大，而低负荷和高负荷的降幅都较小。图 7 为辛烷值对汽油机 3 000 r/min 负荷特性点火提前角的影响。图 7 辛烷值对汽油机 3 000 r/min 负荷特性点火提前角的影响选定转速为 3 000 r/min，制动平均有效压力(BMEP)为 0.3、0.9、1.5 MPa 的燃烧数据进展分析。由图 7 可知，随着负荷增大，点火提前角呈减小趋势，且 95 号汽油点火提前角小于 97 号汽油，随负荷的增加，点火提前角延迟渐渐变大。图 8为燃用不同辛烷值汽油 3 000 r/min 负荷特性缸压与放热率曲线。(a) n=3 000 r/min，BMEP=0.3 MPa(b) n=3 000 r/min，BMEP=0.9 MPa(c) n=3 000 r/min，BMEP=1.5 MPa 图 8 燃用不同辛烷值汽油 3 000 r/min 负荷特性缸压与放热率曲线从图 8 可以看出，对于不同辛烷值汽油，随着点火提前角的延迟，最高爆发压力降低，最高爆发压力所对应的曲轴转角也向后推迟，且这种趋势随着点火提前角延迟的增加渐渐变大。图 9 为燃用不同辛烷值汽油 3 000 r/min 负荷特性燃烧持续期。结合图 8 和图 9,可知 95 号汽油与 97 号汽油相比，点火推迟后，燃烧持续期变长，燃烧速率减缓，CA50 对应曲轴转角推迟，燃烧持续期缩短导致热效率和燃烧等容度降低，最终导致 95 号汽油燃油经济性恶化。图 9 辛烷值对汽油机 3 000 r/min 负荷特性燃烧持续期的影响2.3 排放特性通过负荷特性试验，争论了发动机在 2 000、3 000、5 600 r/min 时燃用不同辛烷值汽油的 NOx 、THC 和 CO 排放。2.3.1 辛烷值对 CO 排放的影响辛烷值对汽油机负荷特性 CO 排放的影响如图 10 所示。图 10 辛烷值对汽油机负荷特性 CO 排放的影响如图 10 所示，在 2 000、3 000、5 600 r/min 时，95 号汽油 CO 排放都低于 97 号汽油。在中低负荷，2 种汽油 CO 排放差异不大，而在大负荷时，随辛烷值上升， CO 排放增加。95 号汽油与 97 号汽油相比，3 000 r/min 时，最大降幅为 5.6%， 3 000 r/min 时最大降幅为 6.4%，5 600 r/min 时最大降幅为 7.8%。图 11 为燃用不同辛烷值汽油，在 2 000、3 000、5 600 r/min，BMEP 为1.7MPa 时缸内平均温度曲线，可知大负荷时，95 号汽油的点火提前角推迟，燃烧相位靠后，提高了膨胀和排气过程中的燃气温度，使 CO 在缸内和排气管中的氧化速率提高，从而使 CO 排放降低。(a)n=2 000 r/min，BMEP=1.7 MPa (b)n=3 000 r/min，BMEP=1.7 MPa(c)n=5 600 r/min，BMEP=1.7 MPa 图 11 燃用不同辛烷值汽油缸内平均温度曲线2.3.2 辛烷值对 THC 排放的影响辛烷值对汽油机负荷特性 THC 排放的影响如图 12 所示。图 12 辛烷值对汽油机负荷特性 THC 排放的影响由图 12 可知，和 CO 的排放状况类似，2 000、3 000、5 600 r/min 时，95 号汽油 THC 排放都低于 97 号汽油。在中低负荷，2 种汽油 THC 排放差异不大，而在大负荷时，随辛烷值上升，THC 排放增加。95 号汽油与 97 号汽油相比，2 000 r/min 时，最大降幅为 8.3%，3 000 r/min 时最大降幅为 7.3%，5 600 r/min 时最大降幅为 7.2%。汽油机 THC 生成的主要缘由是缸内狭缝的存在、气缸壁面的冷激效应以及缸内润滑油膜和沉积物吸附未燃混合气中的燃油蒸气10。结合图 11，95 号汽油在大负荷时的点火提前角被推迟，推迟点火降低了缸内气体的压力和混合气燃烧时的燃烧室面积，增加了膨胀和排气过程中已燃气体的温度，使膨胀和排气过程中燃气温度上升，促进未燃碳氢在缸内和排气管中的氧化，使 THC 排放降低。2.3.3 辛烷值对 NOx 排放的影响辛烷值对汽油机负荷特性 NOx 排放的影响如图 13 所示。图 13 辛烷值对汽油机负荷特性 NOx 排放的影响如图 13 所示，95 号汽油 NOx 排放低于 97 号汽油，随着转速的上升，降幅越大。在 2023 r/min 时，95 号汽油 NOx 排放略低于 97 号汽油，最大降幅为 2%。在3 000 r/min 和 5 600 r/min 时，在低负荷区域，95 号汽油 NOx 排放略低于 97号汽油，降幅为 3%。随着负荷增大，降幅渐渐增加，3 000 r/min 时，最大降幅为 7.2%，5 600 r/min 时，最大降幅为 9.3%。究其缘由，还是由于 95 号汽油在大负荷时的点火提前角推迟。结合图 11，减小点火提前角使最高燃烧温度降低，同时减小了 NOx 在高温时的生成时间，从而使NOx 生成削减。综上所述，95 号汽油 THC、CO 和 NOx 排放低于 97 号汽油，燃用低辛烷值汽油能够改善排放。3 结论在使用车用 ECU 的涡轮增压缸内直喷汽油机上燃用不同辛烷值汽油，可以得到以下结论。1) 高辛烷值汽油可改善带爆震掌握系统的发动机的动力性，2 000 r/min 外特性时97 号汽油的扭矩相对于 95 号汽油 IMEP 最大升幅达 4.07%。2) 燃用高辛烷值汽油能够改善燃油经济性，中等负荷时降幅较大，而低负荷和高负荷的降幅都较小，2 000 r/min、0.9 MPa 时最大降幅达 2.8%。3) 燃用高辛烷值汽油对降低 THC、CO 和 NOx 排放不利,不过其影响程度随转速和负荷的不同而存在差异。THC 和 CO 排放在低负荷时差异不大，随负荷增大而显著增加；NOx 排放受转速和负荷共同影响，低转速时差异较小，中高转速时随负荷增大 NOx 排放明显增加。95 号汽油相对于 97 号汽油,其 CO 排放最大降幅约为7.8%，其 THC 排放最大降幅为 8.3%，其 NOx 排放最大降幅为 9.3%。参 考 文 献1 Xu M , Porter D, Daniels C， et al. Soft Spray Formation of a Low- Pressure High-Turbulence Fuel Injector for Direct Injection Gasoline EnginesC/ SAE Technical Paper Series. San Diego, California USA: Society of Automotive Engineers,2023-01-2746.2 沈义涛，汪建忠，帅石金，等. 辛烷值对汽油机性能的影响J .内燃机工程，2023(5)：52-56.3仇延生，李大东.我国车用汽油质量浅析J.汽车工程，2023(2):101-105. 4Kakegawa T. Further challenge in automobile and fuel technologies forbetter air qualityR.Tokyo, Japan:Hino Motors,2023.5Sugaware Y,Akasaka Y,Kagami M.Effect of gasoline properties on acceleration performance of commercial vehiclesC/ SAE Technical Paper Series. Dearborn,Michigan USA: Society of Automotive Engineers, 971725. 6Kalghatgi G T. Fuel anti-knock quality-part I.engine studiesC/ SAE Technical Paper Series. San Antonio,Texas USA: Society of Automotive Engineers，2023-01- 3584.7 Kalghatgi G T . Fuel anti-knock quality-part II.Vehicle studies how relevant is motor octanen umber (MON) in modern engines C/ SAE Technical Paper Series. San Antonio, Texas USA: Society of Automotive Engineers，2023-01-3585.8 Sayin C, Kilicaslan I, Canakci M, et al. An experimental study of the effect of octane number higher than engine requirement on the engine performance and emissionsJ .Applied Thermal Engineering,2023，25: 1315-1324.9 王志，杨俊伟，张志福，等. 缸内直喷汽油机 HCCI 燃烧对压缩比和辛烷值的适应性争论J. 内燃机工程，2023(6):11-15.10 赵作志.火花点火发动机排放污染物生成因素分析J.西华大学学报:自然科学版,2023,19(3):4-9.