高强化汽油机条件下乙醇汽油辛烷值的调合效应

冯洪庆，李雪萌，王昕怡，南知鎔

高强化汽油机条件下乙醇汽油辛烷值的调合效应

冯洪庆1, 2，李雪萌1, 2，王昕怡1, 2，南知鎔1, 2

(1. 中国石油大学(华东)新能源学院能源与动力工程系，青岛 266580；2. 青岛市化石能源高效清洁利用工程研究中心，青岛 266580)

采用增压、小型化等会加大汽油机爆震倾向，燃油调合应该满足更高抗爆性的要求．调合燃油中的芳香烃、醇类等组分可有效提高汽油辛烷值，不同组分之间的相互作用对于燃料抗爆性有重要影响．研究了TRF燃油基础组分(正庚烷、异辛烷和甲苯)及乙醇添加组分之间的调合辛烷值变化规律，基于燃烧动力学软件中的均质反应器，通过计算其滞燃期研究燃料辛烷值、灵敏度对温度、压力的敏感性，进一步探究燃料组分组成的差异对化学动力学驱动的自燃着火特性的影响．结果表明，甲苯与异辛烷或正庚烷掺混时，降低了混合物的反应活性．甲苯和乙醇分别与PRF燃油(正庚烷和异辛烷)混合辛烷值具有协同效应，但是甲苯与乙醇混合具有拮抗效应，异辛烷一定程度上降低了这种拮抗效应．

燃油基础组分；乙醇；辛烷值；调合效应；汽油机

清洁汽油标准的发展要求降低烯烃含量和硫含量，并将芳香烃含量和苯含量控制在一定范围内，但在烯烃饱和反应和加氢脱硫等反应中会造成燃油辛烷值损失．甲醇、乙醇等低碳醇类相比于汽油具有更高的研究法辛烷值(research octane number，RON)和马达法辛烷值(motor octane number，MON)，应用于现代发动机中有一定的优势[1]．同时，由于醇类燃料相比汽油具有更高的蒸发潜热，在直喷发动机中由于醇类的蒸发吸热提供了额外的冷却效应，大大改善了燃料的抗爆性．因此，研究增压直喷汽油机中醇类与清洁汽油组分的辛烷值调合效应，对未来高效节能的汽油发动机发展和优良抗爆性汽油调和具有重要意义.

汽油由正构烷烃、异构烷烃、环烷烃、烯烃、芳香烃、醇类等复杂组分组成[2]，燃料组分之间的相互作用对于燃料在发动机中的抗爆特性很重要．汽油调合过程中，乙醇等和不同烃组分对辛烷值产生不同的非线性调合效应[3-5]．Rankovic等[3]研究了掺混不同辛烷值增强剂对于低辛烷值燃油的影响．研究发现采用乙醇、异丁醇等醇类调合低辛烷值组分，燃油辛烷值具有较好的线性增强调合效应，而采用二异丁烯、重整汽油等调合时，按体积分数调合获得的辛烷值偏离线性规律．Foong等[4]则发现乙醇在调合异辛烷和正庚烷时具有正调合效应，调合甲苯时则具有负调合效应．几种化合物在混合时提高了基础燃料的辛烷值灵敏度(octane number sensitivity，OS＝RON-MON)．Awad等[6]认为，包括乙醇、异丁醇、异戊醇等在内的混合醇具有很高的RON和MON(106.85，103.72)，和汽油混合使用时可以改善发动机转矩和功率，但混合醇改善辛烷值的内在机理仍不清晰．Singh等[7]通过对温度和自由基物种变化的分析，了解混合组分对着火和辛烷值的潜在化学动力学影响．上述研究探讨了燃料各个组分的着火特性以及组分之间的相互影响作用与燃油抗爆特性之间的联系．

由于低碳醇类燃料具有更高的辛烷值，应用于涡轮增压以及直喷汽油机有利于进一步提高发动机的压缩比，改善动力性以及燃油的抗爆性[8]，提高热效率，可以作为优良的抗爆添加剂加入汽油中[9]．Lee等[10]探讨了醇类等含氧汽油燃料的氧化行为以及燃料反应性随分子组成的变化．结果表明：燃料辛烷值和燃料组成对点火特性的影响在负温度系数(NTC)区域最强；汽油点火延迟时间对燃料组成中的乙醇含量具有依赖性．由于高的汽化焓，直接喷射的乙醇在进气行程中产生的充量冷却效应，同时具有提高辛烷值的自然优势，从而允许更大的压缩比燃烧[11-13]. Gorbatenko等[14]研究了在快速压缩机中正丁醇添加到基础汽油(RON 95，MON 86.6)和汽油替代燃料中(添加10%，20%，40%和85%正丁醇)对点火延迟时间的影响．在低温下，增加正丁醇浓度导致点火延迟时间增加，即使在低浓度下，正丁醇也可作为辛烷值增强剂，对于40%以上掺醇的混合物，辛烷值随着正丁醇含量的增加而增加，但增长幅度逐渐减小；而在较高温度下，正丁醇促进点火．研究燃用低碳醇的高强化汽油机证明掺醇有助于汽油机热效率的提高，但该结果是基于实验测量，缺少从化学动力学角度对其改善燃油抗爆性的理解，因此需要进一步研究乙醇汽油(具有不同辛烷值、不同组分组成)在发动机条件下的燃烧特性，以及多种组分燃料在发动机末端混合气条件下的协同效应或者拮抗效应．

综上所述，研究汽油替代燃料中基础组分和添加组分对燃料RON、MON影响的化学动力学成因十分关键．此外，乙醇作为高辛烷值抗爆添加剂，提高了燃油的抗爆性能，有助于改善发动机热效率．因此，本文选取乙醇＋TRF汽油替代物，采用Chemkin-Pro软件定容反应器中研究两组分和多组分之间掺混的RON以及OS，分析各个组分之间的相互作用，基于滞燃期、温度、放热率、重要自由基的变化探究不同辛烷值特性燃料对缸内温度、压力的依赖性，为先进发动机条件下的低碳醇汽油调合提供参考．

1 研究方法

研究采用Chemkin-Pro中的Closed Homogeneous Batch Reactor模块模拟不同组分燃料的滞燃期及燃烧特性，该研究是在定容均质绝热条件下进行的．模型认为反应器内温度、压力、组分均匀分布，忽略热力参数随着空间位置的变化，仅为时间的函数．另外，均匀反应器的建模需要几个假设．首先，假定向反应器壁面的质量传输是无限快的．因此，相对于气相反应，表面反应的相对重要性仅取决于每种物质的表面-体积比和相对反应速率(而不是运输约束)．其次，通过反应器的流量必须用一个名义停留时间来表征，这个停留时间可以从流量和反应器体积推导出来．该模型计算简单，应用较为广泛．在反应器中满足质量守恒、能量守恒和状态方程．

质量守恒方程为

能量守恒方程为

气体状态方程为

化学反应过程的反应速率常数一般是根据Arrhenius公式来计算的，k和k分别代表第个反应的正向和逆向反应速率常数，其表达式为

式中：为指前因子，mol·cm·s·K；为温度指数；为活化能，J/mol．活化能表示一个化学反应发生时所需要的最小能量，反应活化能越低，反应越容易发生．

本文选用AlRamadan等[15]建立的异辛烷、正庚烷、甲苯和乙醇组成的汽油替代物自燃化学动力学模型．该模型对温度和压力的变化都很敏感．而且，该模型通过将试验中峰值压力和温度计算的自燃延迟时间与辛烷值相关联，可以定性地预测不同参考燃料(PRFs)和非PRFs组合下发动机辛烷值的协同和拮抗非线性混合行为，并从自燃化学的角度解释了原因.本机理可以很好地模拟不同辛烷值燃料的自燃特性．

2 结果分析

目前我国汽油的主要调合组分有催化裂化汽油和催化重整汽油，以及少量作为清洁汽油组分的烷基化油．汽油组分复杂，仅使用PRF燃料不能准确描述汽油机的抗爆性规律，Pitz等[16]研究表明，正庚烷、异辛烷、甲苯调合的三组分燃料能够更好地再现汽油理化特性．由于乙醇的优良抗爆性及清洁燃烧特性，本文重点研究正庚烷、异辛烷、甲苯、乙醇四组分汽油替代物的辛烷值调合效应(RON和OS)及其影响机理．

2.1 燃油TRF基础组分、乙醇添加组分辛烷值调合效应

分析混合组分对辛烷值、灵敏度的影响，有助于设计提高发动机效率的燃料混合物．表1是不同组分燃料的特性参数[17]．在TRF燃料中，正庚烷相较异辛烷因其直链分子结构而具有较低的自燃温度，容易诱发低温自燃，辛烷值为0．正庚烷、异辛烷和甲苯3种组分的含氧量为0，乙醇的含氧量超过30%，有助于改善燃料的燃烧，燃烧完全，有利于组织稀薄燃烧，降低CO排放．虽然乙醇具有相对较小的热值，但小比例掺混对其动力性的影响较小，可以发挥其优良的辛烷值调合效应．研究了燃油基础组分(异辛烷、正庚烷、甲苯)、添加组分(乙醇)对RON、OS影响及其内在机理．

表1 不同组分燃料的特性参数[17]

Tab.1 Specifications of different fuels[17]

不同PRF燃料与乙醇掺混形成的混合燃料的RON和OS如图1所示，数据来自文献[18]．燃料命名方式为PRF-E，即体积分数为%的异辛烷和(100－)%的正庚烷组成的PRF燃料与乙醇燃料混合，其中乙醇体积占比为%，其余为PRF燃料．随着掺混乙醇体积比的增加，燃料的RON与MON均增加，且在较小掺醇比时辛烷值增加较为显著；相同掺醇比例下，PRF燃料的辛烷值越高，混合燃料的辛烷值越高，这说明乙醇与PRF燃料具有显著的协同效应，燃料的抗爆性显著增强．燃料的灵敏度OS随着乙醇含量的升高总体呈上升趋势，且PRF燃料辛烷值越高，混合燃料OS越大，但燃料PRF40-E20和PRF40-E70的OS有明显上升．Ratcliff等[19]提出：OS是燃料的蒸发潜热的热效应产生的．传统的辛烷值测定是在单缸CFR发动机中、按照ASTM D2699(RON)[20]和ASTM D2700(MON)[21]规定的程序测试燃料的研究法辛烷值和马达法辛烷值．由于CFR发动机测试燃料辛烷值时的测试条件，使得燃料的RON包含了部分汽化潜热的作用，而MON不包括，因此产生辛烷值差异．在PRF40-E20和PRF40-E70燃料中，乙醇的蒸发冷却作用与低温抑制作用对整个燃料自燃特性影响较大，因此其OS稍有波动．

图1 PRF燃料与乙醇在不同掺混比例下的RON、OS

图2为不同TRF燃料与乙醇掺混形成的混合燃料的RON和OS，数据来自文献[15]．燃料命名方式为TRF--E，为燃料的辛烷值，为燃料中甲苯含量，为燃料中乙醇含量．可以看出：基础参比燃料为PRF91时，添加甲苯燃料的RON几乎不变，OS大大增加，因为OS是燃料与PRF燃料自燃化学过程差异的度量；再加入乙醇时，各燃料RON、MON都增加，掺混乙醇比例越高，RON增加越不明显，这是甲苯与乙醇的拮抗作用导致的．当基础参比燃料为PRF60时，添加甲苯的辛烷值改进作用比高辛烷值PRF更强，在较高温度下，烷烃在点火前主要产生烯烃，烯烃和苄基之间的反应是PRF和甲苯之间的动力学相互作用的主要原因[22]；当再添加入乙醇体积分数为10%时，TRF60-20和TRF60-40燃料RON大大降低，OS急剧上升，这是由于是燃料中甲苯与乙醇的拮抗效应大于乙醇和甲苯与PRF的协同效应；随着乙醇体积的增加，燃料RON和OS随之增加．对比两种PRF基础燃料中掺混乙醇和甲苯之后的辛烷值调合效应发现：PRF中异辛烷含量较高时，乙醇和甲苯之间的拮抗效应减小，当PRF燃料中异辛烷含量较少(如TRF60-20和TRF60-40)时，10%乙醇和甲苯的拮抗效应尤为明显，这说明异辛烷一定程度上降低了甲苯和乙醇的抑制效应．

图2 TRF燃料与乙醇在异辛烷不同掺混比例下的RON、OS

2.2 不同RON、MON燃料对温度、压力的灵敏度

先进汽油机燃烧过程的抗爆特性与燃料组成和发动机工况相关，不同辛烷值燃料在不同工况下燃料燃烧特性不同，故需要进一步从化学动力学角度研究不同辛烷值、不同灵敏度燃料对温度、压力的依赖性.而Sarathy等[18]和Mehl等[23]认为：燃料的RON和OS与点火延迟时间具有相关性，可以通过燃料的点火延迟时间来预测燃料的辛烷值，并有一定准确性．因此本文选用Chemkin-Pro软件中均质定容反应器模块模拟研究不同辛烷值燃料的自燃特性，而这些自燃特性可以用来定性预测在SI发动机中燃料的RON、OS对温度和压力的依赖特性．

Singh等[7]提出：在＝750K和＝2.5MPa时模拟的滞燃期与RON的相关性最好，而在＝825K和＝2.5MPa时模拟所得滞燃期与MON的相关性最好，本节采用该工况来研究温度、压力对燃料RON、OS的影响．其中滞燃期定义为温度上升400K所需时间．点火滞燃期常用来评价一个燃料自燃特性的优异，较长的滞燃期为火焰核心的传播提供时间，抑制爆震，较短的滞燃期可以带来良好的冷启动能力．

2.2.1 相同RON、不同OS燃料

相同RON、不同OS时燃料组分组成如表2所示，不同工况下的滞燃期如图3所示，OS越高，负温度系数效应表现越不明显．对比OS分别为4、8.5和11.52的3种燃料发现，在低于800K的温度下，具有较高灵敏度的燃料滞燃期较长，表现出较低的反应活性；在NTC区域表现出较高的反应活性，而当温度大于950K时，高灵敏度燃料相较其他燃料滞燃期增大，反应活性反而降低．这是由于OS为11.52的燃料摩尔分数的80%由甲苯组成，甲苯不仅影响低温区域反应活性，还会影响高温点火行为，这种燃料组成与真实汽油组分差异较大．OS为0的燃料的低中温反应活性较弱，因为燃料中异构体燃料较多，多甲基抑制了低温链支化反应，随着温度升高，低温链支化反应被中温区链传递反应替代，后者只能维持却不能增加具有强反应活性的自由基，这也是NTC区域出现的原因．如图3(b)所示，温度为825K的条件下，燃料的滞燃期随压力的增加而不断减小，与甲苯含量高的高OS燃料相比，烷烃含量高的低OS燃料滞燃期缩短幅度较大，即RON相同时，高OS燃料对压力的敏感性较弱．RON不变，OS越大(MON越小)，相同压力下滞燃期越短，这说明在中温区域OS越高，反应活性越强，故而高OS燃料负温度系数区域消失．当压力大于4MPa时，燃料OS对滞燃期的影响很小，4种燃料滞燃期趋于一致．

表2 RON为96.8，不同OS燃料组分含量

Tab.2 Composition of fuels with the same RON(96.8) but different values of OS

为了进一步研究燃料组分组成差异对化学动力学驱动的自燃着火特性的影响，笔者研究了不同燃料的温度、放热率、OH摩尔分数和HO2摩尔分数在RON和MON相关条件下的变化规律，选择OH和HO2是因为它们是引发着火的代表性自由基．

相同RON(96.8)、不同MON燃料当量比为1，初始温度不同时的自燃特性如图4所示．在＝750K时的RON相关条件下，所有燃料都表现出明显的两阶段点火特性，有两段滞燃期．低温阶段的放热导致温度升高，且放热率、OH和HO2摩尔分数在低温放热阶段有局部最大值．Wang等[24-25]研究发现：对于烷烃，低温自由基氧化(R＋O2＝RO2)和随后的过氧自由基分子异构化反应形成了过氧化氢酮，后者分解形成OH自由基，为低温区域的链分支反应，之后温度升高抑制了链分支反应的动力学和热力学，反而有利于链传递反应(环醚形成)和链终止(烯烃和HO2形成)反应．这些竞争反应导致较少的热量释放，因此会有第二个点火延迟时间．在第二个点火延迟期内，HO2形成H2O2，随着温度的升高H2O2分解为OH自由基引发着火放出大量热，同时OH和HO2自由基在高温阶段猛烈增加．由图可以看出OS分别为4、8.5和11.52的3种燃料，滞燃期随OS的增大而增大．而OS为0的燃料则不具有这样的规律，这是因为该燃料组分不同于其他3种，只由正庚烷和异辛烷组成，没有甲苯，且异辛烷的摩尔分数高达98%，而异构体中甲基的存在抑制了低温链支化反应，低温放热率较小，故滞燃期较OS为4、8.5的燃料长一些．总得来说，低温放热阶段的开始时刻与燃料中正庚烷含量大小密切相关，正庚烷含量越大，低温放热开始时刻越早，第一阶段点火延迟时间越短．OS为11.52的燃料中正庚烷含量最大，OS为8.5的燃料次之，OS为4的燃料中含量最少，因此，OS越大，燃料的低温放热幅度越小，低温放热和高温放热之间的滞燃期越长．

图3 在p＝2.5MPa，Φ＝1.0时4种相同RON燃料的滞燃期随温度及压力的变化

如图4(b)所示，对比＝750K各燃料的燃烧特性，在＝825K的MON相关条件下，所有燃料都表现出不太明显的两阶段点火特性．低温阶段的放热导致温度升高，且放热率、OH和HO2摩尔分数在低温放热阶段均有局部最大值，且峰值都有所降低．尤为重要的是在825K下，笔者发现燃料温度升高400K所需时间随着燃料灵敏度的增加而减小，且第一阶段点火发生较快，低温滞燃期较短，低温放热与高温放热阶段之间的过渡时间也缩短．从图中可以看出，OS为11.52的燃料滞燃期最短，OS为8.5时次之，之后是OS为4的燃料，相同RON的PRF燃料滞燃期最长；且随着OS减小，滞燃期增加的幅度越来越大．这种现象说明了高OS燃料在负温度系数区域的反应活性强．Vanhove等[26]之前的研究表明，芳香烃可以提高燃料混合物在中温(即800～950K)下的反应活性．这种行为的原因可以归因于不稳定的苄基氢原子的存在，它加速了HO2自由基的提取，从而促进了H2O2的形成．此外，HO2自由基可以与苄基自由基发生双分子反应，最终形成苯氧基自由基和高活性的OH自由基．这些反应有效地防止了OH自由基的浓度下降，这些反应加速了低温反应后的高温反应，使得OS较高(即烯烃和芳烃含量较高)的混合物显示出较短的第二阶段点火延迟时间，总点火延迟期也大大减小．

图4 相同RON不同OS燃料在p＝2.5MPa时的温度、压力、OH和HO2摩尔分数变化

2.2.2 相同MON、不同OS燃料

相同MON、不同OS燃料组分组成如表3所示，不同工况下的滞燃期如图5所示．固定MON，随着燃料OS的增加，在各个温度区间的滞燃期总体呈上升趋势，高研究法辛烷值燃料的反应活性低，抗爆性能增强，在低中温区域尤其明显．对于OS为0的PRF燃料有不同的规律，在中温段，其滞燃期反而大于OS为4的燃料，当温度低于700K时，PRF88.3的滞燃期大于OS为4和OS为8.5的燃料，这是因为虽然PRF中不掺混甲苯，但相较于其他两种燃料，异辛烷所占摩尔分数较大，接近90%，异构烷烃大大抑制了750K以下的低温氧化反应，因而具有更长的滞燃期．在750K温度下研究压力对不同燃料滞燃期的影响发现：MON不变，随着压力的升高，燃料滞燃期不断缩短且幅度逐渐减小，且高OS燃料对压力的敏感性较大；相同压力下，OS越高，燃料滞燃期越长，OS分别为0、4和8.5的燃料在压力大于4MPa时滞燃期曲线趋于一致．特别地，笔者发现在压力变化过程中，OS为0的燃料滞燃期始终大于OS为4的燃料的滞燃期．

表3 MON为88.3时不同OS燃料组分含量

Tab.3 Composition of fuels with the same MON(88.3) but different values of OS

图5 在p＝2.5MPa，F＝1.0时四种相同MON燃料的滞燃期随温度及压力的变化

相同MON(88.3)、不同RON燃料在当量比为 1，初始温度不同时的自燃特性如图6所示，初始温度为750K时，燃料均表现出明显的两阶段点火特性．高OS燃料中，随着燃料RON的增加，低温阶段的放热量减小，低温阶段和高温阶段之间的滞燃期大大增加，因此总的滞燃期不断增加．这是因为系统在负温度效应区域之后若要温度继续升高，需要低温阶段放出足够的热量来提高系统温度，而OS越高，燃料低温阶段放热较小，故需要较长的时间累积热量从而引发着火．而对于OS为0的PRF燃料，其第一阶段放热比其他3种燃料延迟，低温放热与高温放热之间的滞燃期又最短，其着火滞燃期在OS为4的燃料之后，在OS为8.5的燃料之前．在低温阶段，异辛烷的低温反应活性低于正庚烷，但两者在低温阶段的反应机理基本一致，有一定的竞争关系，故而使其第一阶段滞燃期较长．4种燃料中，随着燃料OS的增大，温度从850～950K持续时间延长，说明燃料在NTC区域的氧化反应活性弱，达到自燃着火需要更长时间的氧化反应放热．

如图6(b)所示，在＝825K、＝2.5MPa时，燃料都表现仍有两阶段点火特性但较为平缓．初始温度从750K变为825K之后，燃料的第一阶段滞燃期大大缩短，着火滞燃期也缩短．在TRF燃料中，甲苯摩尔分数的增加导致燃料的OS增加，甲苯的存在使得燃料的中低温反应过程中放热量减小，OH自由基与HO2自由基的摩尔分数变化也具有相同的趋势，因此燃料的滞燃期增长，具有优良的抗爆性．且高灵敏度燃料高温着火时刻缸内的OH、HO2自由基摩尔分数少于其他燃料，这是由于燃烧持续时间较长，活性自由基边累积生成边继续消耗来提高系统温度. OS为0的PRF燃料自然特性与＝750K时有大致相同的趋势，由于低温链支化反应的抑制，低灵敏度的烷烃燃料中温区域反应活性较低，第一放热阶段最晚开始，初始放热之后和第二放热阶段之间的延迟期最短．

2.2.3 相同OS、不同辛烷值燃料

相同OS(4)不同辛烷值的燃料组分组成如表4所示，不同工况下燃料滞燃期随温度及压力的变化如图7所示．燃料OS相同时，燃料具有的负温度效应区间相同，且该温度范围内各个燃料滞燃期变化趋势相同，随着燃料RON的增加，燃料的滞燃期逐渐增长，在1000K左右各燃料滞燃期几乎一致，此时燃料组分组成特性对其着火滞燃期影响较小．由于4种燃料RON与MON均不相同，故选取750K和825K两种工况来研究滞燃期随压力的变化．结果显示：随着压力的升高，各燃料滞燃期缩短且幅度减小，RON越大的燃料滞燃期越长，当压力大于4MPa时各燃料滞燃期减小趋于平缓．比较初始温度为750K和825K时的变化曲线发现：初始压力为1.5MPa时，825K下各燃料的滞燃期大于750K下燃料的滞燃期，且RON越大，各燃料滞燃期相差越大．随着压力的增加，750K时各个燃料的滞燃期实现了超越，且RON越小，实现超越的压力越小．这是因为压力为1.5MPa时，825K处于燃料的负温度系数，此时负温度系数效应大于压力作用，化学反应速率慢，滞燃期较长，之后压力的增加逐渐抵消了负温度效应，进而促进了着火燃烧，使得燃料滞燃期缩短.

表4 相同OS，不同RON燃料组分含量

Tab.4 Composition of fuels with the same OS but differ-ent values of RON

图7 在p＝2.5MPa，Φ＝1.0时4种相同OS燃料的滞燃期随温度及压力的变化

相同OS(4)、不同辛烷值燃料在＝2.5MPa，温度分别为750K、825K，当量比为1时的自燃特性如图8所示．OS固定时，TRF和PRF温度上升400K经历的氧化过程具有统一的规律．在750K时，随着燃料RON的增加，燃料的低温氧化阶段开始时刻推迟，且低温放热峰值逐渐减小，低温放热与高温放热之间的滞燃期也增长，燃料总体点火延迟时间增长．这4种TRF通过固定甲苯的摩尔分数不变、改变正庚烷和异辛烷的含量来调整燃料的RON与MON，因此，当燃料RON较小时，燃料中异辛烷组分含量较少，正庚烷组分含量较多，正构烷烃更易在低温阶段发生氧化反应，故放热时刻提前且放热量增多．较多的低温放热量又利于负温度系数区域之后温度的继续提升，负温度系数效应影响范围较小，因此滞燃期较短，更易发生自燃，表现出较弱的抗爆特性．与此同时，系统中OH和HO2自由基与放热率保持相同的变化趋势．

如图8(b)所示当初始温度为825K时，第一阶段放热时刻提前，放热量有所减少，这是因为初始温度较高，有利于氧化反应的发生，但较高的初始温度抑制了燃料的低温氧化过程，因此低温放热量较少.故而低温放热到高温放热需要较长的时间来完成热量的释放，以提高系统温度完成着火．对于RON为99的燃料，初始温度的改变对总体滞燃期的影响不大；当RON为88、92和96.8时，初温的提高促进了燃料的自燃着火进程，活性自由基OH和HO2摩尔分数生成加快，燃料着火时刻提前．

图8 相同OS不同辛烷值燃料在p＝2.5MPa时的温度、压力、OH和HO2摩尔分数变化

3 结 论

(1) 甲苯与乙醇分别和PRF混合辛烷值具有协同效应．当在TRF60-20和TRF60-40加入体积分数为10%乙醇时，燃料RON大大降低，OS急剧上升，这是由于是燃料中甲苯与乙醇的拮抗效应大于乙醇和甲苯分别与TRF反应时的协同效应．

(2) RON不变，初始温度为825K时，高OS燃料对压力的敏感性较弱，OS越高，滞燃期越短，反应活性越强，故而高OS燃料负温度系数区域消失．而MON不变，初始温度为750K时，随着压力的升高，在低温区域燃料滞燃期不断缩短且幅度逐渐减小，且高OS燃料对压力的敏感性较强．

(3) 在TRF-乙醇燃料中，异辛烷一定程度上降低了甲苯和乙醇的抑制效应，PRF燃料中异辛烷摩尔分数越低，乙醇和甲苯的拮抗效应越明显．

［1］ 余金山，李文浩，颜伏伍. EGR 对正戊醇-生物柴油混合燃料的燃烧排放性能影响研究[J]. 燃烧科学与技术，2021，27(3)：279-288.

Yu Jinshan，Li Wenhao，Yan Fuwu. Study on influences of EGR on the combustion and emission performance of n-pentanol/biodiesel blends[J].，2021，27(3)：279-288(in Chinese).

［2］ 韩昕璐，朱燕群，季 然，等. PRF90＋空气热流量法层流火焰速度测量与动力学分析[J]. 燃烧科学与技术，2021，27(6)：585-590.

Han Xinlu，Zhu Yanqun，Ji Ran，et al. Laminar burning velocity measurement and kinetic study of PRF90 and air using heat flux method[J].，2021，27(6)：585-590(in Chinese).

［3］ Rankovic N，Bourhis G，Loos M，et al. Understanding octane number evolution for enabling alternative low RON refinery streams and octane boosters as transportation fuels[J].，2015，150：41-47.

［4］ Foong T M，Morganti K J，Brear M J，et al. The octane numbers of ethanol blended with gasoline and its surrogates[J].，2014，115：727-739.

［5］ Knop V，Loos M，Pera C，et al. A linear-by-mole blending rule for octane numbers of n-htptane/iso-octane/toluene mixtures[J].，2014，115：666-673.

［6］ Awad O I，Ali O M，Mamat R，et al. Using fusel oil as a blend in gasoline to improve SI engine efficiencies：A comprehensive review[J].，2017，69：1232-1242.

［7］ Singh E，Badra J，Mehl M，et al. Chemical kinetic insights into the octane number and octane sensitivity of gasoline surrogate mixtures[J].，2017，31(2)：1945-1960.

［8］ 柳佳辰，王浒，郑尊清，等. 不同峰值压力下压缩比对柴油机热效率的影响[J]. 燃烧科学与技术，2021，27(2)：163-170.

Liu Jiachen，Wang Hu，Zheng Zunqing, et al. Effects of compression ratio on thermal efficiency of diesel engine at dfferent peak firing pressures[J].，2021，27(2)：163-170(in Chinese).

［9］ 王永红，徐小红，刘泉山，等. 混合醇汽油排放的研究[J]. 内燃机学报，2008，26(4)：359-363.

Wang Yonghong，Xu Xiaohong，Liu Quanshan，et al. Study on emission of blended alcohol gasoline[J].，2008，26(4)：359-363(in Chinese).

［10］ Lee C，Ahmed A，Nasir E F，et al. Autoignition characteristics of oxygenated gasolines[J].，2017，186：114-128.

［11］ Schifter I，Diaz L，Rodriguez R，et al. Combustion and emissions behavior for ethanol-gasoline blends in a single cylinder engine[J].，2011，90(12)：3586-3592.

［12］ Hasan M A. Effects of ethanol-unleaded gasoline blends on engine performance and exhaust emission[J].，2003，44：1547-1561.

［13］ Foong T M，Morganti K J，Brear M J，et al. The effect of charge cooling on the RON of ethanol/gasoline blends[C]//. Detroit，MI，2013，2013-01-0886.

［14］ Gorbatenko I，Tomlin A S，Lawes M，et al. Experimental and modelling study of the impacts of n-butanol blending on the auto-ignition behaviour of gasoline and its surrogate at low temperatures[J].，2019，37(1)：501-509.

［15］ AlRamadan A S，Sarathy S M，Khurshid M，et al. A blending rule for octane numbers of PRFs and TPRFs with ethanol[J].2016，180：175-186.

［16］ Costa I D，Bozzelli J W，Seiser R，et al. Chemical Kinetic Study of Toluene Oxidation Under Premixed and Nonpremixed Conditions[R]. Livermore，CA，United States：Lawrence Livermore National Lab.(LLNL)，2003.

［17］ 司鹏鹍，刘海峰，王 海，等. 燃料理化特性对柴油机低温燃烧过程及排放特性的影响[J]. 内燃机学报，2014，32(1)：6-13.

Si Pengkun，Liu Haifeng，Wang Hai，et al. Effects of fuel properties on low temperature combustion processes and emissions of diesel engines[J].，2014，32(1)：6-13(in Chinese).

［18］ Sarathy S M，Javed T，Karsenty F，et al. A comprehensive combustion chemistry study of 2，5-dimethylhexane[J].，2014，161(6)：1444-1459.

［19］ Ratcliff M A，Burton J，Sindler P，et al. Effects of heat of vaporization and octane sensitivity on knock-limited spark ignition engine performance[C]//. Detroit，MI，2018，2018-01-0218.

［20］ ASTM International. ASTM D2699-12 Standard Test Method for Research Octane Number of Spark-Ignition Engine Fuel[S]. West Conshohocken，PA：ASTM International，2012.

［21］ ASTM International. ASTM D2700-16 Standard Test Method for Motor Octane Number of Spark-Ignition Engine Fuel[S]. West Conshohocken，PA：ASTM International，2016.

［22］ Sakai Y，Miyoshi A，Koshi M，et al. A kinetic modeling study on the oxidation of primary reference fuel-toluene mixtures including cross reactions between aromatics and aliphatics[J].，2009，32(1)：411-418.

［23］ Mehl M，Chen J Y，Pitz W J，et al. An approach for formulating surrogates for gasoline with application toward a reduced surrogate mechanism for CFD engine modeling[J].，2011，25(11)：5215-5223.

［24］ Wang Z，Sarathy S M. Third O2addition reactions promote the low-temperature auto-ignition of n-alkanes[J].，2016，165：364-372.

［25］ Wang Z，Zhang L，Moshammer K，et al. Additional chainbranching pathways in the low-temperature oxidation of branched alkanes[J].，2016，164：386-396.

［26］ Vanhove G，Petit G，Minetti R. Experimental study of the kinetic interactions in the low-temperature autoignition of hydrocarbon binary mixtures and a surrogate fuel[J].，2006，145：521-532.

Octane Blending Effect of Ethanol-Gasoline in High-Strength Gasoline Engine

Feng Hongqing1, 2，Li Xuemeng1, 2，Wang Xinyi1, 2，Nan Zhirong1, 2

(1. Department of Energy and Power Engineering，New Energy Institute，China University of Petroleum，Qingdao 266580，China；2.Engineering Research Centre for Efficient and Clean Use of Fossil Energy of Qingdao，Qingdao 266580，China)

Considering that advanced technologies such as supercharging and downsizing increase the tendency of knock of gasoline engines, fuel blending should meet the requirements of higher anti-knock property. Aromatics, alcohols and other components in blended fuel can effectively improve the octane number of gasoline. The interaction between them is very important for the anti-knock performance in engine. The changes of blending octane number among the basic components of TRF (n-heptane, iso-octane and tolueneand)the added components like ethanol were studied. By using the homogeneous batch reactor in combustion dynamics software, the fuel octane number and octane sensitivity to temperature and pressure were studied by calculating the ignition delay period. Furthermore, the effects of fuel composition differences on the auto-ignition characteristics driven by chemical kinetics were investigated. The results showed that toluene mixed with iso-octane or n-heptane reduced the reactivity of the mixture. The octane number of toluene and ethanol mixed with PRF fuel (n-heptane and iso-octane) had a synergistic effect, but the combination of toluene and ethanol had an antagonistic effect, which was reduced to a certain extent by iso-octane.

basic components of gasoline；ethanol；octane number；blending effect；gasoline engine

TK418.9

A

1006-8740(2022)01-0001-10

2021-01-13.

国家自然科学基金资助项目(51976236)．

冯洪庆（1977—  ），男，博士，教授．Email：m_bigm@tju.edu.cn

冯洪庆，fenghongqing@upc.edu.cn．

(责任编辑：梁 霞)