馮洪慶，李雪萌，王昕怡，南知鎔

高強(qiáng)化汽油機(jī)條件下乙醇汽油辛烷值的調(diào)合效應(yīng)

馮洪慶1, 2，李雪萌1, 2，王昕怡1, 2，南知鎔1, 2

(1. 中國石油大學(xué)(華東)新能源學(xué)院能源與動(dòng)力工程系，青島 266580；2. 青島市化石能源高效清潔利用工程研究中心，青島 266580)

采用增壓、小型化等會(huì)加大汽油機(jī)爆震傾向，燃油調(diào)合應(yīng)該滿足更高抗爆性的要求．調(diào)合燃油中的芳香烴、醇類等組分可有效提高汽油辛烷值，不同組分之間的相互作用對于燃料抗爆性有重要影響．研究了TRF燃油基礎(chǔ)組分(正庚烷、異辛烷和甲苯)及乙醇添加組分之間的調(diào)合辛烷值變化規(guī)律，基于燃燒動(dòng)力學(xué)軟件中的均質(zhì)反應(yīng)器，通過計(jì)算其滯燃期研究燃料辛烷值、靈敏度對溫度、壓力的敏感性，進(jìn)一步探究燃料組分組成的差異對化學(xué)動(dòng)力學(xué)驅(qū)動(dòng)的自燃著火特性的影響．結(jié)果表明，甲苯與異辛烷或正庚烷摻混時(shí)，降低了混合物的反應(yīng)活性．甲苯和乙醇分別與PRF燃油(正庚烷和異辛烷)混合辛烷值具有協(xié)同效應(yīng)，但是甲苯與乙醇混合具有拮抗效應(yīng)，異辛烷一定程度上降低了這種拮抗效應(yīng)．

燃油基礎(chǔ)組分；乙醇；辛烷值；調(diào)合效應(yīng)；汽油機(jī)

清潔汽油標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展要求降低烯烴含量和硫含量，并將芳香烴含量和苯含量控制在一定范圍內(nèi)，但在烯烴飽和反應(yīng)和加氫脫硫等反應(yīng)中會(huì)造成燃油辛烷值損失．甲醇、乙醇等低碳醇類相比于汽油具有更高的研究法辛烷值(research octane number，RON)和馬達(dá)法辛烷值(motor octane number，MON)，應(yīng)用于現(xiàn)代發(fā)動(dòng)機(jī)中有一定的優(yōu)勢[1]．同時(shí)，由于醇類燃料相比汽油具有更高的蒸發(fā)潛熱，在直噴發(fā)動(dòng)機(jī)中由于醇類的蒸發(fā)吸熱提供了額外的冷卻效應(yīng)，大大改善了燃料的抗爆性．因此，研究增壓直噴汽油機(jī)中醇類與清潔汽油組分的辛烷值調(diào)合效應(yīng)，對未來高效節(jié)能的汽油發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展和優(yōu)良抗爆性汽油調(diào)和具有重要意義.

汽油由正構(gòu)烷烴、異構(gòu)烷烴、環(huán)烷烴、烯烴、芳香烴、醇類等復(fù)雜組分組成[2]，燃料組分之間的相互作用對于燃料在發(fā)動(dòng)機(jī)中的抗爆特性很重要．汽油調(diào)合過程中，乙醇等和不同烴組分對辛烷值產(chǎn)生不同的非線性調(diào)合效應(yīng)[3-5]．Rankovic等[3]研究了摻混不同辛烷值增強(qiáng)劑對于低辛烷值燃油的影響．研究發(fā)現(xiàn)采用乙醇、異丁醇等醇類調(diào)合低辛烷值組分，燃油辛烷值具有較好的線性增強(qiáng)調(diào)合效應(yīng)，而采用二異丁烯、重整汽油等調(diào)合時(shí)，按體積分?jǐn)?shù)調(diào)合獲得的辛烷值偏離線性規(guī)律．Foong等[4]則發(fā)現(xiàn)乙醇在調(diào)合異辛烷和正庚烷時(shí)具有正調(diào)合效應(yīng)，調(diào)合甲苯時(shí)則具有負(fù)調(diào)合效應(yīng)．幾種化合物在混合時(shí)提高了基礎(chǔ)燃料的辛烷值靈敏度(octane number sensitivity，OS＝RON-MON)．Awad等[6]認(rèn)為，包括乙醇、異丁醇、異戊醇等在內(nèi)的混合醇具有很高的RON和MON(106.85，103.72)，和汽油混合使用時(shí)可以改善發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩和功率，但混合醇改善辛烷值的內(nèi)在機(jī)理仍不清晰．Singh等[7]通過對溫度和自由基物種變化的分析，了解混合組分對著火和辛烷值的潛在化學(xué)動(dòng)力學(xué)影響．上述研究探討了燃料各個(gè)組分的著火特性以及組分之間的相互影響作用與燃油抗爆特性之間的聯(lián)系．

由于低碳醇類燃料具有更高的辛烷值，應(yīng)用于渦輪增壓以及直噴汽油機(jī)有利于進(jìn)一步提高發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮比，改善動(dòng)力性以及燃油的抗爆性[8]，提高熱效率，可以作為優(yōu)良的抗爆添加劑加入汽油中[9]．Lee等[10]探討了醇類等含氧汽油燃料的氧化行為以及燃料反應(yīng)性隨分子組成的變化．結(jié)果表明：燃料辛烷值和燃料組成對點(diǎn)火特性的影響在負(fù)溫度系數(shù)(NTC)區(qū)域最強(qiáng)；汽油點(diǎn)火延遲時(shí)間對燃料組成中的乙醇含量具有依賴性．由于高的汽化焓，直接噴射的乙醇在進(jìn)氣行程中產(chǎn)生的充量冷卻效應(yīng)，同時(shí)具有提高辛烷值的自然優(yōu)勢，從而允許更大的壓縮比燃燒[11-13]. Gorbatenko等[14]研究了在快速壓縮機(jī)中正丁醇添加到基礎(chǔ)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)對點(diǎn)火延遲時(shí)間的影響．在低溫下，增加正丁醇濃度導(dǎo)致點(diǎn)火延遲時(shí)間增加，即使在低濃度下，正丁醇也可作為辛烷值增強(qiáng)劑，對于40%以上摻醇的混合物，辛烷值隨著正丁醇含量的增加而增加，但增長幅度逐漸減?。欢谳^高溫度下，正丁醇促進(jìn)點(diǎn)火．研究燃用低碳醇的高強(qiáng)化汽油機(jī)證明摻醇有助于汽油機(jī)熱效率的提高，但該結(jié)果是基于實(shí)驗(yàn)測量，缺少從化學(xué)動(dòng)力學(xué)角度對其改善燃油抗爆性的理解，因此需要進(jìn)一步研究乙醇汽油(具有不同辛烷值、不同組分組成)在發(fā)動(dòng)機(jī)條件下的燃燒特性，以及多種組分燃料在發(fā)動(dòng)機(jī)末端混合氣條件下的協(xié)同效應(yīng)或者拮抗效應(yīng)．

綜上所述，研究汽油替代燃料中基礎(chǔ)組分和添加組分對燃料RON、MON影響的化學(xué)動(dòng)力學(xué)成因十分關(guān)鍵．此外，乙醇作為高辛烷值抗爆添加劑，提高了燃油的抗爆性能，有助于改善發(fā)動(dòng)機(jī)熱效率．因此，本文選取乙醇＋TRF汽油替代物，采用Chemkin-Pro軟件定容反應(yīng)器中研究兩組分和多組分之間摻混的RON以及OS，分析各個(gè)組分之間的相互作用，基于滯燃期、溫度、放熱率、重要自由基的變化探究不同辛烷值特性燃料對缸內(nèi)溫度、壓力的依賴性，為先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)條件下的低碳醇汽油調(diào)合提供參考．

1?研究方法

研究采用Chemkin-Pro中的Closed Homogeneous Batch Reactor模塊模擬不同組分燃料的滯燃期及燃燒特性，該研究是在定容均質(zhì)絕熱條件下進(jìn)行的．模型認(rèn)為反應(yīng)器內(nèi)溫度、壓力、組分均勻分布，忽略熱力參數(shù)隨著空間位置的變化，僅為時(shí)間的函數(shù)．另外，均勻反應(yīng)器的建模需要幾個(gè)假設(shè)．首先，假定向反應(yīng)器壁面的質(zhì)量傳輸是無限快的．因此，相對于氣相反應(yīng)，表面反應(yīng)的相對重要性僅取決于每種物質(zhì)的表面-體積比和相對反應(yīng)速率(而不是運(yùn)輸約束)．其次，通過反應(yīng)器的流量必須用一個(gè)名義停留時(shí)間來表征，這個(gè)停留時(shí)間可以從流量和反應(yīng)器體積推導(dǎo)出來．該模型計(jì)算簡單，應(yīng)用較為廣泛．在反應(yīng)器中滿足質(zhì)量守恒、能量守恒和狀態(tài)方程．

質(zhì)量守恒方程為

能量守恒方程為

氣體狀態(tài)方程為

化學(xué)反應(yīng)過程的反應(yīng)速率常數(shù)一般是根據(jù)Arrhenius公式來計(jì)算的，k和k分別代表第個(gè)反應(yīng)的正向和逆向反應(yīng)速率常數(shù)，其表達(dá)式為

式中：為指前因子，mol·cm·s·K；為溫度指數(shù)；為活化能，J/mol．活化能表示一個(gè)化學(xué)反應(yīng)發(fā)生時(shí)所需要的最小能量，反應(yīng)活化能越低，反應(yīng)越容易發(fā)生．

本文選用AlRamadan等[15]建立的異辛烷、正庚烷、甲苯和乙醇組成的汽油替代物自燃化學(xué)動(dòng)力學(xué)模型．該模型對溫度和壓力的變化都很敏感．而且，該模型通過將試驗(yàn)中峰值壓力和溫度計(jì)算的自燃延遲時(shí)間與辛烷值相關(guān)聯(lián)，可以定性地預(yù)測不同參考燃料(PRFs)和非PRFs組合下發(fā)動(dòng)機(jī)辛烷值的協(xié)同和拮抗非線性混合行為，并從自燃化學(xué)的角度解釋了原因.本機(jī)理可以很好地模擬不同辛烷值燃料的自燃特性．

2?結(jié)果分析

目前我國汽油的主要調(diào)合組分有催化裂化汽油和催化重整汽油，以及少量作為清潔汽油組分的烷基化油．汽油組分復(fù)雜，僅使用PRF燃料不能準(zhǔn)確描述汽油機(jī)的抗爆性規(guī)律，Pitz等[16]研究表明，正庚烷、異辛烷、甲苯調(diào)合的三組分燃料能夠更好地再現(xiàn)汽油理化特性．由于乙醇的優(yōu)良抗爆性及清潔燃燒特性，本文重點(diǎn)研究正庚烷、異辛烷、甲苯、乙醇四組分汽油替代物的辛烷值調(diào)合效應(yīng)(RON和OS)及其影響機(jī)理．

2.1?燃油TRF基礎(chǔ)組分、乙醇添加組分辛烷值調(diào)合效應(yīng)

分析混合組分對辛烷值、靈敏度的影響，有助于設(shè)計(jì)提高發(fā)動(dòng)機(jī)效率的燃料混合物．表1是不同組分燃料的特性參數(shù)[17]．在TRF燃料中，正庚烷相較異辛烷因其直鏈分子結(jié)構(gòu)而具有較低的自燃溫度，容易誘發(fā)低溫自燃，辛烷值為0．正庚烷、異辛烷和甲苯3種組分的含氧量為0，乙醇的含氧量超過30%，有助于改善燃料的燃燒，燃燒完全，有利于組織稀薄燃燒，降低CO排放．雖然乙醇具有相對較小的熱值，但小比例摻混對其動(dòng)力性的影響較小，可以發(fā)揮其優(yōu)良的辛烷值調(diào)合效應(yīng)．研究了燃油基礎(chǔ)組分(異辛烷、正庚烷、甲苯)、添加組分(乙醇)對RON、OS影響及其內(nèi)在機(jī)理．

表1?不同組分燃料的特性參數(shù)[17]

Tab.1?Specifications of different fuels[17]

不同PRF燃料與乙醇摻混形成的混合燃料的RON和OS如圖1所示，數(shù)據(jù)來自文獻(xiàn)[18]．燃料命名方式為PRF-E，即體積分?jǐn)?shù)為%的異辛烷和(100－)%的正庚烷組成的PRF燃料與乙醇燃料混合，其中乙醇體積占比為%，其余為PRF燃料．隨著摻混乙醇體積比的增加，燃料的RON與MON均增加，且在較小摻醇比時(shí)辛烷值增加較為顯著；相同摻醇比例下，PRF燃料的辛烷值越高，混合燃料的辛烷值越高，這說明乙醇與PRF燃料具有顯著的協(xié)同效應(yīng)，燃料的抗爆性顯著增強(qiáng)．燃料的靈敏度OS隨著乙醇含量的升高總體呈上升趨勢，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有明顯上升．Ratcliff等[19]提出：OS是燃料的蒸發(fā)潛熱的熱效應(yīng)產(chǎn)生的．傳統(tǒng)的辛烷值測定是在單缸CFR發(fā)動(dòng)機(jī)中、按照ASTM D2699(RON)[20]和ASTM D2700(MON)[21]規(guī)定的程序測試燃料的研究法辛烷值和馬達(dá)法辛烷值．由于CFR發(fā)動(dòng)機(jī)測試燃料辛烷值時(shí)的測試條件，使得燃料的RON包含了部分汽化潛熱的作用，而MON不包括，因此產(chǎn)生辛烷值差異．在PRF40-E20和PRF40-E70燃料中，乙醇的蒸發(fā)冷卻作用與低溫抑制作用對整個(gè)燃料自燃特性影響較大，因此其OS稍有波動(dòng)．

圖1?PRF燃料與乙醇在不同摻混比例下的RON、OS

圖2為不同TRF燃料與乙醇摻混形成的混合燃料的RON和OS，數(shù)據(jù)來自文獻(xiàn)[15]．燃料命名方式為TRF--E，為燃料的辛烷值，為燃料中甲苯含量，為燃料中乙醇含量．可以看出：基礎(chǔ)參比燃料為PRF91時(shí)，添加甲苯燃料的RON幾乎不變，OS大大增加，因?yàn)镺S是燃料與PRF燃料自燃化學(xué)過程差異的度量；再加入乙醇時(shí)，各燃料RON、MON都增加，摻混乙醇比例越高，RON增加越不明顯，這是甲苯與乙醇的拮抗作用導(dǎo)致的．當(dāng)基礎(chǔ)參比燃料為PRF60時(shí)，添加甲苯的辛烷值改進(jìn)作用比高辛烷值PRF更強(qiáng)，在較高溫度下，烷烴在點(diǎn)火前主要產(chǎn)生烯烴，烯烴和芐基之間的反應(yīng)是PRF和甲苯之間的動(dòng)力學(xué)相互作用的主要原因[22]；當(dāng)再添加入乙醇體積分?jǐn)?shù)為10%時(shí)，TRF60-20和TRF60-40燃料RON大大降低，OS急劇上升，這是由于是燃料中甲苯與乙醇的拮抗效應(yīng)大于乙醇和甲苯與PRF的協(xié)同效應(yīng)；隨著乙醇體積的增加，燃料RON和OS隨之增加．對比兩種PRF基礎(chǔ)燃料中摻混乙醇和甲苯之后的辛烷值調(diào)合效應(yīng)發(fā)現(xiàn)：PRF中異辛烷含量較高時(shí)，乙醇和甲苯之間的拮抗效應(yīng)減小，當(dāng)PRF燃料中異辛烷含量較少(如TRF60-20和TRF60-40)時(shí)，10%乙醇和甲苯的拮抗效應(yīng)尤為明顯，這說明異辛烷一定程度上降低了甲苯和乙醇的抑制效應(yīng)．

圖2 TRF燃料與乙醇在異辛烷不同摻混比例下的RON、OS

2.2?不同RON、MON燃料對溫度、壓力的靈敏度

先進(jìn)汽油機(jī)燃燒過程的抗爆特性與燃料組成和發(fā)動(dòng)機(jī)工況相關(guān)，不同辛烷值燃料在不同工況下燃料燃燒特性不同，故需要進(jìn)一步從化學(xué)動(dòng)力學(xué)角度研究不同辛烷值、不同靈敏度燃料對溫度、壓力的依賴性.而Sarathy等[18]和Mehl等[23]認(rèn)為：燃料的RON和OS與點(diǎn)火延遲時(shí)間具有相關(guān)性，可以通過燃料的點(diǎn)火延遲時(shí)間來預(yù)測燃料的辛烷值，并有一定準(zhǔn)確性．因此本文選用Chemkin-Pro軟件中均質(zhì)定容反應(yīng)器模塊模擬研究不同辛烷值燃料的自燃特性，而這些自燃特性可以用來定性預(yù)測在SI發(fā)動(dòng)機(jī)中燃料的RON、OS對溫度和壓力的依賴特性．

Singh等[7]提出：在＝750K和＝2.5MPa時(shí)模擬的滯燃期與RON的相關(guān)性最好，而在＝825K和＝2.5MPa時(shí)模擬所得滯燃期與MON的相關(guān)性最好，本節(jié)采用該工況來研究溫度、壓力對燃料RON、OS的影響．其中滯燃期定義為溫度上升400K所需時(shí)間．點(diǎn)火滯燃期常用來評價(jià)一個(gè)燃料自燃特性的優(yōu)異，較長的滯燃期為火焰核心的傳播提供時(shí)間，抑制爆震，較短的滯燃期可以帶來良好的冷啟動(dòng)能力．

2.2.1?相同RON、不同OS燃料

相同RON、不同OS時(shí)燃料組分組成如表2所示，不同工況下的滯燃期如圖3所示，OS越高，負(fù)溫度系數(shù)效應(yīng)表現(xiàn)越不明顯．對比OS分別為4、8.5和11.52的3種燃料發(fā)現(xiàn)，在低于800K的溫度下，具有較高靈敏度的燃料滯燃期較長，表現(xiàn)出較低的反應(yīng)活性；在NTC區(qū)域表現(xiàn)出較高的反應(yīng)活性，而當(dāng)溫度大于950K時(shí)，高靈敏度燃料相較其他燃料滯燃期增大，反應(yīng)活性反而降低．這是由于OS為11.52的燃料摩爾分?jǐn)?shù)的80%由甲苯組成，甲苯不僅影響低溫區(qū)域反應(yīng)活性，還會(huì)影響高溫點(diǎn)火行為，這種燃料組成與真實(shí)汽油組分差異較大．OS為0的燃料的低中溫反應(yīng)活性較弱，因?yàn)槿剂现挟悩?gòu)體燃料較多，多甲基抑制了低溫鏈支化反應(yīng)，隨著溫度升高，低溫鏈支化反應(yīng)被中溫區(qū)鏈傳遞反應(yīng)替代，后者只能維持卻不能增加具有強(qiáng)反應(yīng)活性的自由基，這也是NTC區(qū)域出現(xiàn)的原因．如圖3(b)所示，溫度為825K的條件下，燃料的滯燃期隨壓力的增加而不斷減小，與甲苯含量高的高OS燃料相比，烷烴含量高的低OS燃料滯燃期縮短幅度較大，即RON相同時(shí)，高OS燃料對壓力的敏感性較弱．RON不變，OS越大(MON越小)，相同壓力下滯燃期越短，這說明在中溫區(qū)域OS越高，反應(yīng)活性越強(qiáng)，故而高OS燃料負(fù)溫度系數(shù)區(qū)域消失．當(dāng)壓力大于4MPa時(shí)，燃料OS對滯燃期的影響很小，4種燃料滯燃期趨于一致．

表2?RON為96.8，不同OS燃料組分含量

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

為了進(jìn)一步研究燃料組分組成差異對化學(xué)動(dòng)力學(xué)驅(qū)動(dòng)的自燃著火特性的影響，筆者研究了不同燃料的溫度、放熱率、OH摩爾分?jǐn)?shù)和HO2摩爾分?jǐn)?shù)在RON和MON相關(guān)條件下的變化規(guī)律，選擇OH和HO2是因?yàn)樗鼈兪且l(fā)著火的代表性自由基．

相同RON(96.8)、不同MON燃料當(dāng)量比為1，初始溫度不同時(shí)的自燃特性如圖4所示．在＝750K時(shí)的RON相關(guān)條件下，所有燃料都表現(xiàn)出明顯的兩階段點(diǎn)火特性，有兩段滯燃期．低溫階段的放熱導(dǎo)致溫度升高，且放熱率、OH和HO2摩爾分?jǐn)?shù)在低溫放熱階段有局部最大值．Wang等[24-25]研究發(fā)現(xiàn)：對于烷烴，低溫自由基氧化(R＋O2＝RO2)和隨后的過氧自由基分子異構(gòu)化反應(yīng)形成了過氧化氫酮，后者分解形成OH自由基，為低溫區(qū)域的鏈分支反應(yīng)，之后溫度升高抑制了鏈分支反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)，反而有利于鏈傳遞反應(yīng)(環(huán)醚形成)和鏈終止(烯烴和HO2形成)反應(yīng)．這些競爭反應(yīng)導(dǎo)致較少的熱量釋放，因此會(huì)有第二個(gè)點(diǎn)火延遲時(shí)間．在第二個(gè)點(diǎn)火延遲期內(nèi)，HO2形成H2O2，隨著溫度的升高H2O2分解為OH自由基引發(fā)著火放出大量熱，同時(shí)OH和HO2自由基在高溫階段猛烈增加．由圖可以看出OS分別為4、8.5和11.52的3種燃料，滯燃期隨OS的增大而增大．而OS為0的燃料則不具有這樣的規(guī)律，這是因?yàn)樵撊剂辖M分不同于其他3種，只由正庚烷和異辛烷組成，沒有甲苯，且異辛烷的摩爾分?jǐn)?shù)高達(dá)98%，而異構(gòu)體中甲基的存在抑制了低溫鏈支化反應(yīng)，低溫放熱率較小，故滯燃期較OS為4、8.5的燃料長一些．總得來說，低溫放熱階段的開始時(shí)刻與燃料中正庚烷含量大小密切相關(guān)，正庚烷含量越大，低溫放熱開始時(shí)刻越早，第一階段點(diǎn)火延遲時(shí)間越短．OS為11.52的燃料中正庚烷含量最大，OS為8.5的燃料次之，OS為4的燃料中含量最少，因此，OS越大，燃料的低溫放熱幅度越小，低溫放熱和高溫放熱之間的滯燃期越長．

圖3 在p＝2.5MPa，Φ＝1.0時(shí)4種相同RON燃料的滯燃期隨溫度及壓力的變化

如圖4(b)所示，對比＝750K各燃料的燃燒特性，在＝825K的MON相關(guān)條件下，所有燃料都表現(xiàn)出不太明顯的兩階段點(diǎn)火特性．低溫階段的放熱導(dǎo)致溫度升高，且放熱率、OH和HO2摩爾分?jǐn)?shù)在低溫放熱階段均有局部最大值，且峰值都有所降低．尤為重要的是在825K下，筆者發(fā)現(xiàn)燃料溫度升高400K所需時(shí)間隨著燃料靈敏度的增加而減小，且第一階段點(diǎn)火發(fā)生較快，低溫滯燃期較短，低溫放熱與高溫放熱階段之間的過渡時(shí)間也縮短．從圖中可以看出，OS為11.52的燃料滯燃期最短，OS為8.5時(shí)次之，之后是OS為4的燃料，相同RON的PRF燃料滯燃期最長；且隨著OS減小，滯燃期增加的幅度越來越大．這種現(xiàn)象說明了高OS燃料在負(fù)溫度系數(shù)區(qū)域的反應(yīng)活性強(qiáng)．Vanhove等[26]之前的研究表明，芳香烴可以提高燃料混合物在中溫(即800～950K)下的反應(yīng)活性．這種行為的原因可以歸因于不穩(wěn)定的芐基氫原子的存在，它加速了HO2自由基的提取，從而促進(jìn)了H2O2的形成．此外，HO2自由基可以與芐基自由基發(fā)生雙分子反應(yīng)，最終形成苯氧基自由基和高活性的OH自由基．這些反應(yīng)有效地防止了OH自由基的濃度下降，這些反應(yīng)加速了低溫反應(yīng)后的高溫反應(yīng)，使得OS較高(即烯烴和芳烴含量較高)的混合物顯示出較短的第二階段點(diǎn)火延遲時(shí)間，總點(diǎn)火延遲期也大大減?。?/p>

圖4 相同RON不同OS燃料在p＝2.5MPa時(shí)的溫度、壓力、OH和HO2摩爾分?jǐn)?shù)變化

2.2.2?相同MON、不同OS燃料

相同MON、不同OS燃料組分組成如表3所示，不同工況下的滯燃期如圖5所示．固定MON，隨著燃料OS的增加，在各個(gè)溫度區(qū)間的滯燃期總體呈上升趨勢，高研究法辛烷值燃料的反應(yīng)活性低，抗爆性能增強(qiáng)，在低中溫區(qū)域尤其明顯．對于OS為0的PRF燃料有不同的規(guī)律，在中溫段，其滯燃期反而大于OS為4的燃料，當(dāng)溫度低于700K時(shí)，PRF88.3的滯燃期大于OS為4和OS為8.5的燃料，這是因?yàn)殡m然PRF中不摻混甲苯，但相較于其他兩種燃料，異辛烷所占摩爾分?jǐn)?shù)較大，接近90%，異構(gòu)烷烴大大抑制了750K以下的低溫氧化反應(yīng)，因而具有更長的滯燃期．在750K溫度下研究壓力對不同燃料滯燃期的影響發(fā)現(xiàn)：MON不變，隨著壓力的升高，燃料滯燃期不斷縮短且幅度逐漸減小，且高OS燃料對壓力的敏感性較大；相同壓力下，OS越高，燃料滯燃期越長，OS分別為0、4和8.5的燃料在壓力大于4MPa時(shí)滯燃期曲線趨于一致．特別地，筆者發(fā)現(xiàn)在壓力變化過程中，OS為0的燃料滯燃期始終大于OS為4的燃料的滯燃期．

表3?MON為88.3時(shí)不同OS燃料組分含量

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

圖5 在p＝2.5MPa，F(xiàn)＝1.0時(shí)四種相同MON燃料的滯燃期隨溫度及壓力的變化

相同MON(88.3)、不同RON燃料在當(dāng)量比為 1，初始溫度不同時(shí)的自燃特性如圖6所示，初始溫度為750K時(shí)，燃料均表現(xiàn)出明顯的兩階段點(diǎn)火特性．高OS燃料中，隨著燃料RON的增加，低溫階段的放熱量減小，低溫階段和高溫階段之間的滯燃期大大增加，因此總的滯燃期不斷增加．這是因?yàn)橄到y(tǒng)在負(fù)溫度效應(yīng)區(qū)域之后若要溫度繼續(xù)升高，需要低溫階段放出足夠的熱量來提高系統(tǒng)溫度，而OS越高，燃料低溫階段放熱較小，故需要較長的時(shí)間累積熱量從而引發(fā)著火．而對于OS為0的PRF燃料，其第一階段放熱比其他3種燃料延遲，低溫放熱與高溫放熱之間的滯燃期又最短，其著火滯燃期在OS為4的燃料之后，在OS為8.5的燃料之前．在低溫階段，異辛烷的低溫反應(yīng)活性低于正庚烷，但兩者在低溫階段的反應(yīng)機(jī)理基本一致，有一定的競爭關(guān)系，故而使其第一階段滯燃期較長．4種燃料中，隨著燃料OS的增大，溫度從850～950K持續(xù)時(shí)間延長，說明燃料在NTC區(qū)域的氧化反應(yīng)活性弱，達(dá)到自燃著火需要更長時(shí)間的氧化反應(yīng)放熱．

如圖6(b)所示，在＝825K、＝2.5MPa時(shí)，燃料都表現(xiàn)仍有兩階段點(diǎn)火特性但較為平緩．初始溫度從750K變?yōu)?25K之后，燃料的第一階段滯燃期大大縮短，著火滯燃期也縮短．在TRF燃料中，甲苯摩爾分?jǐn)?shù)的增加導(dǎo)致燃料的OS增加，甲苯的存在使得燃料的中低溫反應(yīng)過程中放熱量減小，OH自由基與HO2自由基的摩爾分?jǐn)?shù)變化也具有相同的趨勢，因此燃料的滯燃期增長，具有優(yōu)良的抗爆性．且高靈敏度燃料高溫著火時(shí)刻缸內(nèi)的OH、HO2自由基摩爾分?jǐn)?shù)少于其他燃料，這是由于燃燒持續(xù)時(shí)間較長，活性自由基邊累積生成邊繼續(xù)消耗來提高系統(tǒng)溫度. OS為0的PRF燃料自然特性與＝750K時(shí)有大致相同的趨勢，由于低溫鏈支化反應(yīng)的抑制，低靈敏度的烷烴燃料中溫區(qū)域反應(yīng)活性較低，第一放熱階段最晚開始，初始放熱之后和第二放熱階段之間的延遲期最短．

2.2.3?相同OS、不同辛烷值燃料

相同OS(4)不同辛烷值的燃料組分組成如表4所示，不同工況下燃料滯燃期隨溫度及壓力的變化如圖7所示．燃料OS相同時(shí)，燃料具有的負(fù)溫度效應(yīng)區(qū)間相同，且該溫度范圍內(nèi)各個(gè)燃料滯燃期變化趨勢相同，隨著燃料RON的增加，燃料的滯燃期逐漸增長，在1000K左右各燃料滯燃期幾乎一致，此時(shí)燃料組分組成特性對其著火滯燃期影響較?。捎?種燃料RON與MON均不相同，故選取750K和825K兩種工況來研究滯燃期隨壓力的變化．結(jié)果顯示：隨著壓力的升高，各燃料滯燃期縮短且幅度減小，RON越大的燃料滯燃期越長，當(dāng)壓力大于4MPa時(shí)各燃料滯燃期減小趨于平緩．比較初始溫度為750K和825K時(shí)的變化曲線發(fā)現(xiàn)：初始壓力為1.5MPa時(shí)，825K下各燃料的滯燃期大于750K下燃料的滯燃期，且RON越大，各燃料滯燃期相差越大．隨著壓力的增加，750K時(shí)各個(gè)燃料的滯燃期實(shí)現(xiàn)了超越，且RON越小，實(shí)現(xiàn)超越的壓力越小．這是因?yàn)閴毫?.5MPa時(shí)，825K處于燃料的負(fù)溫度系數(shù)，此時(shí)負(fù)溫度系數(shù)效應(yīng)大于壓力作用，化學(xué)反應(yīng)速率慢，滯燃期較長，之后壓力的增加逐漸抵消了負(fù)溫度效應(yīng)，進(jìn)而促進(jìn)了著火燃燒，使得燃料滯燃期縮短.

表4?相同OS，不同RON燃料組分含量

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

圖7 在p＝2.5MPa，Φ＝1.0時(shí)4種相同OS燃料的滯燃期隨溫度及壓力的變化

相同OS(4)、不同辛烷值燃料在＝2.5MPa，溫度分別為750K、825K，當(dāng)量比為1時(shí)的自燃特性如圖8所示．OS固定時(shí)，TRF和PRF溫度上升400K經(jīng)歷的氧化過程具有統(tǒng)一的規(guī)律．在750K時(shí)，隨著燃料RON的增加，燃料的低溫氧化階段開始時(shí)刻推遲，且低溫放熱峰值逐漸減小，低溫放熱與高溫放熱之間的滯燃期也增長，燃料總體點(diǎn)火延遲時(shí)間增長．這4種TRF通過固定甲苯的摩爾分?jǐn)?shù)不變、改變正庚烷和異辛烷的含量來調(diào)整燃料的RON與MON，因此，當(dāng)燃料RON較小時(shí)，燃料中異辛烷組分含量較少，正庚烷組分含量較多，正構(gòu)烷烴更易在低溫階段發(fā)生氧化反應(yīng)，故放熱時(shí)刻提前且放熱量增多．較多的低溫放熱量又利于負(fù)溫度系數(shù)區(qū)域之后溫度的繼續(xù)提升，負(fù)溫度系數(shù)效應(yīng)影響范圍較小，因此滯燃期較短，更易發(fā)生自燃，表現(xiàn)出較弱的抗爆特性．與此同時(shí)，系統(tǒng)中OH和HO2自由基與放熱率保持相同的變化趨勢．

如圖8(b)所示當(dāng)初始溫度為825K時(shí)，第一階段放熱時(shí)刻提前，放熱量有所減少，這是因?yàn)槌跏紲囟容^高，有利于氧化反應(yīng)的發(fā)生，但較高的初始溫度抑制了燃料的低溫氧化過程，因此低溫放熱量較少.故而低溫放熱到高溫放熱需要較長的時(shí)間來完成熱量的釋放，以提高系統(tǒng)溫度完成著火．對于RON為99的燃料，初始溫度的改變對總體滯燃期的影響不大；當(dāng)RON為88、92和96.8時(shí)，初溫的提高促進(jìn)了燃料的自燃著火進(jìn)程，活性自由基OH和HO2摩爾分?jǐn)?shù)生成加快，燃料著火時(shí)刻提前．

圖8 相同OS不同辛烷值燃料在p＝2.5MPa時(shí)的溫度、壓力、OH和HO2摩爾分?jǐn)?shù)變化

3?結(jié)?論

(1) 甲苯與乙醇分別和PRF混合辛烷值具有協(xié)同效應(yīng)．當(dāng)在TRF60-20和TRF60-40加入體積分?jǐn)?shù)為10%乙醇時(shí)，燃料RON大大降低，OS急劇上升，這是由于是燃料中甲苯與乙醇的拮抗效應(yīng)大于乙醇和甲苯分別與TRF反應(yīng)時(shí)的協(xié)同效應(yīng)．

(2) RON不變，初始溫度為825K時(shí)，高OS燃料對壓力的敏感性較弱，OS越高，滯燃期越短，反應(yīng)活性越強(qiáng)，故而高OS燃料負(fù)溫度系數(shù)區(qū)域消失．而MON不變，初始溫度為750K時(shí)，隨著壓力的升高，在低溫區(qū)域燃料滯燃期不斷縮短且幅度逐漸減小，且高OS燃料對壓力的敏感性較強(qiáng)．

(3) 在TRF-乙醇燃料中，異辛烷一定程度上降低了甲苯和乙醇的抑制效應(yīng)，PRF燃料中異辛烷摩爾分?jǐn)?shù)越低，乙醇和甲苯的拮抗效應(yīng)越明顯．

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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.

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51976236)．

馮洪慶（1977—??），男，博士，教授．Email：m_bigm@tju.edu.cn

馮洪慶，fenghongqing@upc.edu.cn．

(責(zé)任編輯：梁?霞)