醇类添加物对汽油替代物辛烷灵敏度的影响

摘 要：辛烷灵敏度（OS）定义为研究法辛烷值（RON）与马达法辛烷值（MON）之差，对于表示燃料的抗爆性方面有着重要的作用。关于典型的、单一的碳氢化合物的辛烷灵敏度的研究已有很多，而对于多种燃料混合物的研究有待进一步深入。另一方面，考虑到含氧燃料的广泛应用，对于将其添加到汽油中，从而研究其对汽油抗爆性的影响具有重要的实际意义。本文利用详细的化学反应机理，通过数值分析法来研究含氧燃料的添加对汽油替代物OS的影响。本文的研究结果旨在为下一代汽油机的设计以及先进燃料的研发提供理论依据，从而提高发动机效率，提高燃油经济性。

关键词：辛烷灵敏度；研究法辛烷值；马达法辛烷值；含氧燃料

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.08.034

0 引言

汽油机自诞生以来便在转速、成本、工作平稳性、噪声方面具有优势，这使得其一直以来都是轿车、小型货车、摩托车等的主要动力装置。但是汽油机存在爆震燃烧问题，这会影响汽油机的效率。如果爆震长期存在，会破坏缸内构件、增加有害物排放、增加油耗等[1]。目前，减少汽油机爆震的方法，例如选择合适的点火提前角、清理燃烧室内的积碳等。其中最主要的、应用最广泛的方法是选择抗爆性良好的燃料。抗爆性是一种重要的燃料性质，一般用研究法辛烷值（Research octane number，RON）与马达法辛烷值（Motor octane number，MON）来表示。但随着研究的深入，越来越多的结果表明直接用RON或MON来表示燃料的抗爆性不够充分，而使用OI（Octane index）可以更好的表示抗爆性[2-3]，OI值越高，表示这个燃料的抗爆性越好。OI的定义为：OI=RON-K*OS，其中K是与发动机工况相关的一个常数，目前K一般为负值。OS（Octane sensitivity）表示辛烷灵敏度，数值上等于RON减去MON。因此，当两个燃料的RON相同时，拥有较高OS的燃料具有较高的OI值，从而具有较好的抗爆性。所以为了提高汽油机的效率，减少爆震，对燃料OS的研究具有重要意义。本文通过详细的化学机理，通过仿真软件，用PRF90燃料（Primary reference fuel）作为汽油的替代物，来模拟研究汽油与醇类燃料混合后的OS变化规律，找到提高汽油燃料OS的方法。

1 模拟方法

1.1 OS的研究方法

由于OS定义为RON与MON之差，因此对OS的研究建立在对RON和MON的研究之上。将抗爆性差的正庚烷的辛烷值（ON）定义为0，而抗爆性好的异辛烷的ON定义为100。两者按不同体积比混合后的一系列混合物为RON和MON的数值提供尺度。下文所用到的PRFX中，X表示PRF中异辛烷的体积分数，即为该PRF的辛烷值。例如，PRF80表示将异辛烷和正庚烷按体积比为80/20混合后的燃料，它的RON和MON都是80。根据这个定义，所有PRF的OS都为0。如果一个燃料在RON循环中得到的滞燃期与PRF80在RON循环中的滞燃期相同，那么这个燃料的RON即为80。同样的，如果一个燃料的MON为70，则表示该燃料在MON循环中的滞燃期与PRF70相同。

本文使用Westbrook等人[4]提供的详细化学反应机理，以及他们在一个特殊的单缸汽油机中获得的RON和MON循环的压力，来模拟所研究的燃料在实际发动机中RON循环和MON循环的热力学状态，通过Perfectly Stirred Reactor（PSR）模型从而计算得到燃料在RON和MON循环下的滞燃期。将两种滞燃期分别与在两种循环下的PRF滞燃期曲线进行对比，即可得到燃料的RON与MON。再用计算得到的RON减去MON，即为该燃料的OS。因为低碳醇类具有良好的抗爆性及少量的有害物排放，所以它们一直被当作汽油添加剂来改善汽油的性质，从而提高汽油机的工作性能。因此，本文选择PRF90作为汽油替代燃料，选择乙醇、正丙醇、正戊醇及异戊醇作为添加物，将他们按不同的摩尔比混合，通过模拟来研究醇类添加物对汽油OS的影响。

1.2 仿真及验证

两种仿真计算的当量比设定为1.1。由于在温度500K以下时几乎没有反应发生，因此计算开始于500K之后。RON循环的初始温度和压力为501.86 K，3.1 bar，对应于上止点前的65.3度。相应的MON循环的初始温度和压力为502 K，2.09 bar，对应于上止点前的80.6度[4]。

图1表示本文两种模拟计算所使用的压力曲线。需要指出的是，两条压力曲线都是由Westbrook等人[4]用E30燃料（將汽油和乙醇按体积比为70/30混合）在RON和MON两种工况下测得的。

为了验证所使用的方法是否可行，本文首先在RON和MON循环中计算了不同PRF的滞燃期，如图2所示。图2（a）、（b）中黑色实线表示PRF的滞燃期。图2也列举了其他种类燃料使用本方法计算得到的滞燃期，与其实验得到的辛烷值的关系，在图中以不同颜色及形状的点来表示。可以看出，这些点大多围绕在基准曲线周围，而不是准确的位于基准曲线上。造成这种现象的原因可能是由于压力曲线、化学反应机理或者RON及MON实验中的误差导致的。但是该误差不大，在可以接受的范围内。因此，本文的研究方法是可行的。

2 结果与分析

2.1 醇类燃料的主链链长对燃料OS的影响

图3表示的是在PRF90中添加乙醇、正丙醇、正戊醇后的OS随醇类燃料浓度变化的关系。从图3中可以看出，在PRF90中添加三种醇类燃料都能明显的提高其OS。从数值上看，当所添加的醇类浓度相同时，对PRF90的OS提高的效果由高到低为：乙醇>正丙醇>正戊醇。由此可以说明，对于PRF90这一汽油替代燃料，所添加的醇类的碳链链长越短，对提高OS的效果越好。换句话说，随着碳链链长的增加，醇类燃料对提高PRF90的OS效果逐渐降低。这是由于随着醇类分子中碳链链长的增加，分子中易发生反应的位置点增多，使得燃料在发动机循环中倾向于较早的发生化学反应。这其中的放热反应会提高燃烧室温度及压力，缩短滞燃期，从而降低了燃料的抗爆性。

2.2 醇类燃料的分子结构对燃料OS的影响

从上一节可知，对于同一类含氧燃料而言，其分子的链长对提高汽油OS的效果会产生不同的影响。随着链长的增加，含氧燃料对汽油OS的增强效果逐步降低。为了更进一步的了解链长与OS的规律，排除分子中元素个数对结果的影响，本节选择拥有相同元素及个数但不同链长的正戊醇与异戊醇进行研究。由于支链的存在，异戊醇的主链上有4个碳原子，比正戊醇主链上的5个碳原子要少，使得异戊醇的主链链长比正戊醇的要短。

图4表示的是PRF90/正戊醇及PRF90/异戊醇混合物的OS变化趋势。由图可以看出，随着添加的醇类浓度增加，PRF90的OS值逐渐变大。当在PRF90中所加入的戊醇浓度相同时，异戊醇对提高PRF90的OS效果更好，PRF90/异戊醇混合后的OS要明显高于PRF90/正戊醇混合物。这说明即使是拥有相同元素及个数的两种同类型燃料，它们不同的分子结构也会使得他们具有不同的提高OS的效果。异戊醇的分子结构中，主链链长比直链的正戊醇要短，易发生反应的点较少，使其自身相较于正戊醇具有较好的抗爆性。当将这两种戊醇添加到PRF90中时，链长较短的异戊醇对提高PRF90的OS的效果更好。由此进一步证明，随着醇类碳链链长的增加，其对提高汽油OS的效果逐渐降低。

3 结论

本文利用详细的化学反应机理，通过PSR反应器模型，模拟研究了醇类添加物对汽油辛烷灵敏度的影响。由研究的结果可以看出，醇类燃料对提高汽油的辛烷灵敏度有着明显的作用。本文的主要结论有：

a. 在汽油替代物PRF90中添加C5及以下的醇类燃料能够明显的提高辛烷灵敏度。

b. 对于PRF90，所添加醇类的分子中主链上碳链越长，对提高其辛烷灵敏度的效果越差。

c. 对于直链醇类及其带支链的同分异构体来说，后者对提高PRF90的辛烷灵敏度具有更好的效果。

参考文献：

[1]Zhen X，Wang Y，Xu S，et al.The engine knock analysis-An overview[J].Applied Energy，2012，92（02）：628-636.

[2]Kalghatgi GT.Fuel Anti-knock Quality-Part I，Engine studies[J].SAE International Journal of Fuels & Lubricants. 2001，110.

[3]Kalghatgi GT.Fuel Anti-knock Quality-Part II，Vehicle Studies-How Relevant is Motor Octane Number （MON） in Modern Engines？[J].SAE International Journal of Fuels & Lubricants. 2001，110.

[4]Westbrook CK，Mehl M，Pitz WJ，et al.Chemical kinetics of octane sensitivity in a spark-ignition engine[J].Combustion & Flame，2016（175）：2-15.

作者簡介：夏笛（1994-），男，湖北红安人，硕士，学生，研究方向：发动机、清洁燃烧。