内燃机学报杂志投稿格式参考范文：汽油理化特性对整车经济和排放性能影响

　　引言

　　随着世界汽车保有量的快速增长，能源消耗与环境污染问题日益严重。降低燃油消耗与改善排放成为汽油机研发的主要目标 [1-2]。因此，各种发动机先进技术如超高喷油压力、可变进排气系统以及高效后处理系统等 [7-8] 得到快速发展。除技术革新外，国内外学者认为燃油本身特性也会对汽油机的燃烧和排放产生显著影响 [9-10]。左子农等 [11] 研究了不同辛烷值汽油的动力性、经济性和排放特性，结果表明：相较 95 号汽油，97 号汽油指示平均有效压力最大增幅为 4.07%，燃油消耗率最高降幅为 2.8%，但总碳氢(THC)、CO 和 NOₓ排放略有增加。Zhang 等 [12] 研究了汽油芳烃含量对汽油机燃烧和排放的影响，结果表明：增加芳烃含量会增加汽油机颗粒物排放。Yang 等 [13-14] 研究也得出相似的结果，且汽油中的总芳烃会显著增加非甲烷烃、THC、甲醛和苯、甲苯等单环芳烃排放。Shen 等 [15] 研究发现，汽油烯烃含量由 10% 增至 25% 可使 THC 排放减少约 15%，而芳烃含量由 35% 增至 45%，NOₓ排放增加约 4%。Andrae 等 [16] 研究了烯烃对汽油机排放特性的影响，结果表明：烯烃有助于降低汽油机碳烟排放。Zhao 等 [17] 研究发现，异构烷烃、环烷烃和芳烃对汽油机 CO 和 NOₓ排放影响较大，而烷烃、烯烃、芳烃和炔烃则对汽油机挥发性有机物排放影响较大。

　　馏程是衡量燃油蒸发的重要指标之一，对汽油机的燃烧和排放具有重要影响。Takei 等 [19] 研究了 50% 蒸发温度(T₅₀)和 90% 蒸发温度(T₉₀)对乘用车排放影响，结果表明：适当降低 T₅₀和 T₉₀有助于降低 THC 排放。Qian 等研究发现，降低 T₅₀有助于提高燃油燃烧效率，有利于甲烷、乙烷、异戊烷、乙烯、丙烯和乙炔等非常规排放的降低，但 NOₓ排放有所增加。Zhu 等 [21] 研究了芳烃、烯烃、T₅₀和 T₉₀对缸内直喷汽油机排放特性的影响，结果表明：芳烃和 T₅₀对常规气体排放的影响大于烯烃和 T₉₀，随着芳烃和 T₅₀的降低，颗粒物粒径和数量也会产生显著影响。Den Ouden 等 [22] 进行了 22 辆欧洲汽车燃用 40 种燃油的排放测试，结果表明：对于没有后处理的汽车，影响碳烟最重要的燃料特性是密度。Lange 等 [23]、Ryan 等 [24] 也证明降低密度不仅有助于降低碳烟排放，同时也有助于降低 NOₓ、CO 和 HC 的排放。

　　燃油不同理化特性之间是相互关联、相互影响的，各种特性的影响很难单独解耦。现有研究多是针对单一理化特性变化对发动机燃烧和排放的影响，并未探明燃油不同理化特性的综合影响规律。近年来，国内外学者开始利用主成分分析法揭示燃油不同理化特性的综合影响。刘海峰等 [25] 利用主成分分析法研究了柴油烃族组分对柴油机排放的影响，结果表明：柴油机排放主要受总芳烃影响，其中苊类、苊烯类对 CO、NOₓ和碳烟排放影响较为显著。

　　进一步，刘海峰等 [26] 利用主成分分析法探明了柴油机质量油耗主要受总饱和烃、总芳烃、苊类和苊烯类影响，而体积油耗主要受链烷烃、萘、总饱和烃和总芳烃影响。Carvalho 等 [27] 采用主成分分析法研究了纯汽油质量与成分之间的关系，并根据主成分的得分图和载荷图，将 24 个汽油样本分为 4 组，并确定导致这种分离的最重要变量是 T₅₀、T₉₀、终馏点、异链烷烃、链烷烃、环烷烃。笔者通过一台装配进气道喷射(PFI)汽油机的乘用车，燃用 89 号加剂汽油、92 号加剂汽油、95 号加剂汽油和成品汽油共 34 种燃油，进行新欧洲驾驶循环(NEDC)试验，利用主成分分析法全面分析了燃油 12 种理化特性对整车经济性和排放性能的影响;将得到的主成分作为描述燃油理化特性对汽车整车性能影响的重要指标，以期为燃油特性优化提供参考。

　　1 试验燃油、试验设备与研究方法

　　1.1 试验燃油和试验设备

　　试验通过一台中国市售自动挡、轻型乘用车进行，装配一台自然吸气、气道喷射的汽油机。

　　试验燃油共计 34 种，包括公司 1-5 市售汽油、89 号加剂汽油、92 号加剂汽油和 95 号加剂汽油，每种燃油理化特性均有差异，其中加剂汽油基础油品均为调配的试验油品，21-25 号加剂汽油基础油品为 121-125 号油品，12-15 号加剂汽油基础油品为 121-125 号油品。

　　汽车在转鼓上运行模拟实际道路驾驶，尾气通过稀释通道模拟尾气排入大气环境过程，稀释后的尾气按照固定的流量排进大气中，并按固定流量引入一部分存在气袋中。整个试验过程中，排放分析仪在线测量稀释尾气中的气体排放浓度，同时在试验循环结束后对存放在气袋中的稀释尾气和空气进行组分浓度分析，试验中油耗测量结果和气体排放结果均来自气袋组分分析。

　　1.2 研究方法

　　1.2.1 NEDC 循环试验

　　为了全面评估各种燃油的排放特性和燃油经济性，试验参考 GB 18352.5-2013 中的 I 型试验，其中试验循环采用 NEDC，共计 1180s，其中前 780s 为市区驾驶循环(UDC)，由 4 个相同的 ECE-15 循环组成，每个 ECE-15 循环持续时间为 195s，后 400s 为市郊驾驶循环(EUDC)。

　　为了反映出燃油理化特性对汽车排放性能的影响，笔者测量三效催化器前的汽车原始排放。试验前车辆静置 12h 以上，考虑到现代汽车起停技术的广泛应用，造成汽车的热状态起动较冷状态起动更为频繁，为了获得更接近汽车实际运行状态的数据，每种燃油分别进行了 1 次冷状态起动的 NEDC，以预热发动机。为了确保试验数据准确性，每种燃油至少进行了 2 次重复的 NEDC 测试。测试过程中，实际车速与理论车速误差小于 1km/h。为了保证数据的可靠性，试验过程中胎压保持为 0.228-0.230MPa，室温保持为 25℃，同时定期更换机油、空气滤清器和机油滤清器。每次更换燃油时完全排空油箱和燃油滤清器及外部汽油管路中的燃油，并更换燃油滤清器，再用下一组待试验的燃油进行油箱和管路清洗。正式试验前，使汽车在车速为 70-90km/h 下运行 20min 以上，以排除上一组试验燃油干扰。根据碳平衡法计算车辆的百公里油耗。

　　1.2.2 主成分分析法及其分析过程

　　主成分分析法是采用降维和简化的思想，在损失较少信息的前提下将多个变量转变为少数几个综合指标的多元统计方法。

　　转化生成的综合指标被称为主成分，每个主成分都是原始变量的线性组合。根据原始变量在主成分上的载荷，可以筛选出与主成分具有明显相关关系的变量;同时，通过观察主成分与因变量之间的关系，可以判断原始变量是否与因变量有关。主成分详细分析方法可参见文献 [28]。

　　设 Zᵢ表示第 i 个主成分，Xᵢ表示第 i 个原始变量，且 i=1，2，…，p，各主成分与各原始变量之间的关系可表示为式(1)。其中对于每个主成分 Zᵢ，均有 cᵢ₁²+cᵢ₂²+…+cᵢₚ²=1。

　　用于检验各原始变量之间有无关联程度。KMO 取值越高说明变量之间的相关性越好。Bartlett 的球形度检验系数取值越低说明变量之间的相关性越好。两者用于确保数据样本的质量和可靠性。在 KMO≥0.6、Sig≤0.05 的情况下主成分分析是适用的。

　　一般情况下主成分累计贡献率超过 80% 即可使用并代替原始变量进行分析 [2]。PC₁为第一主成分，同理，PCₓ为第 x 主成分。可知，前 3 个主成分能够解释原始变量 83.68% 的信息，三主成分的特征值差值比较大，而其他特征值差值比较小，因而保留 3 个主成分能够概括绝大部分原始变量信息。

　　2 结果与讨论

　　2.1 主成分得分与燃油理化性质的关联分析

　　某一变量在第 k 主成分上的载荷表示了其对第 k 主成分的贡献，绝对值越接近 1，说明该变量与第 k 主成分的相关性越高，载荷为正表明该变量与第 k 主成分呈正相关，反之呈负相关。大多数原始变量在第一主成分上的载荷绝对值最高，在第二主成分上的载荷绝对值次之，而在第三主成分上的载荷绝对值最低，说明大多数原始变量与第一主成分密切相关。RON、密度、蒸气压(RVP)、初馏点、T₅、T₁₀、芳烃含量和终馏点等 8 个原始变量在第一主成分上的载荷绝对值均在 0.70-0.88 以上，而在其他两个主成分上的载荷绝对值均低于 0.30，多数位于 0.10 以下，表明仅采用第一主成分就可以较好地表示这 8 个原始变量携带的相关信息。而重芳烃含量、T₅₀、T₉₀和烯烃含量等 4 个原始变量在不同主成分上的载荷绝对值较为接近，需要采用两个或三个主成分才可以充分表示出这 4 个变量携带的相关信息。

　　可得到主成分得分与原始变量之间的关系，其中仅展示相关系数大于 0.60 的关系(具有较强线性相关性)。可知，第一主成分得分与蒸气压呈较强的负相关关系，而与密度、初馏点、T₅、T₁₀、芳烃含量、终馏点和 RON 呈较强的正相关关系。第一主成分得分高的燃油意味着蒸气压低，而密度、初馏点、T₅、T₁₀、芳烃含量、终馏点和 RON 高。初馏点、T₅、T₁₀和终馏点反映出了燃油的馏程特性，其与燃油的蒸发性和轻重组分含量密切相关，从馏程数据可大致判断燃油中轻、重馏分的比例及蒸发性能 [9]。馏程馏程温度升高则燃油中芳烃等重组分含量增加，而由于芳烃等重组分难于蒸发及分子质量较大，相应的蒸气压和密度则会分别出现降低和增加的趋势。对于燃油烃族组分，RON 的贡献率为芳烃 > 异构烷烃 > 环烷烃 > 正构烷烃，因而芳烃含量的增加也会导致 RON 提高 [29]。

　　可见，生成的第一主成分不仅与汽油理化特性原始变量密切相关，还兼顾了各变量之间的相关关系，能够替代原始变量对整车性能进行分析。借助生成的主成分可以筛选对于整车性能具有显著影响的汽油理化特性，从而揭示汽油不同理化特性的综合影响。此外，第二主成分得分与重芳烃含量和 T₉₀呈较强的负相关关系，主成分得分高的燃油重芳烃含量和 T₉₀低。重芳烃是燃油蒸发过程中最后蒸发的物质，其含量增加显然会导致 T₉₀升高。第三主成分得分与烯烃含量呈较强的正相关关系，第三主成分得分高的燃油有较高的烯烃含量。通过采用主成分分析，笔者将燃油的 12 种理化特性降维为 3 个主成分，并且通过计算相关系数筛选出了与各主成分得分具有密切相关的理化特性。

　　2.2 主成分得分与整车性能的关联分析

　　由于 CO 和 HC 等排放与主成分得分的相关性较差，因而仅展示与主成分得分具有明显相关性的整车性能指标。可知，在 UDC 中，第一主成分得分与百公里油耗、当量百公里油耗以及 CO₂排放呈较强的正相关关系，第一主成分得分较低的燃油其百公里油耗、当量百公里油耗以及 CO₂排放较低。在 UDC 工况下，提高燃油的蒸气压至 69-72kPa、降低燃油的密度至 720-730kg/m³、降低初馏点至 35-37℃、降低 T₅至 40-43℃、降低 T₁₀至 48-52℃、降低芳烃含量至 22-26%、降低终馏点至 169-176℃以及降低 RON 有助于第一主成分得分的降低，进而可以降低车辆 UDC 下的百公里油耗、当量百公里油耗以及 CO₂排放，其中百公里油耗最高降幅为 14.80%，CO₂排放最高降幅为 18.14%。

　　馏程温度的降低和蒸气压的提高改善了燃油的雾化蒸发效果，并使燃油当量比分布更加均匀，有助于提高燃油的燃烧性能并降低油耗 [30]。芳烃含量增加时总燃烧时间延长、燃烧效率降低 [31]，因而油耗增加，降低芳烃含量有助于降低油耗。UDC 工况下缸内温度较低且混合气较为稀薄，降低燃油的 RON 有助于缩短着火落后期 [32]，从而减少过度混合和促进更快的燃烧 [30,32]，进而降低油耗。

　　同时，在 UDC 中，第三主成分得分与 NOₓ排放呈较强的正相关关系，第三主成分得分较低的燃油 NOₓ排放较低。降低燃油的烯烃含量至 4%-8% 可以降低车辆 UDC 下的 NOₓ排放，最高降幅为 32.61%。烯烃含量降低会降低混合气的燃烧速度和反应活性，因而高温区域不易形成，从而有助于降低 NOₓ排放 [33]。

　　在 EUDC 中，第三主成分得分和 NOₓ排放呈较强的相关关系，第三主成分得分较低的燃油 NOₓ排放较低，这与车辆在 UDC 工况下的规律一致。降低燃油的烯烃含量至 4%~8% 可以降低车辆在 EUDC 循环下的 NOₓ排放，最高降幅为 14.01%。车辆在 NEDC 下第一主成分得分与当量百公里油耗的关系减弱，但第一主成分得分与 CO₂排放仍呈较强的相关关系。第一主成分得分较低的燃油 CO₂排放较低，伴随燃油第一主成分得分提高，多数燃油 CO₂排放增加。

　　提高燃油的蒸气压至 69~72kPa、降低燃油的密度至 720~730kg/m³、降低初馏点至 35~37℃、降低 T₅至 40~43℃、降低 T₁₀至 48~52℃、降低芳烃含量至 22%~26%、降低终馏点至 169~176℃及降低 RON 可以降低车辆在 NEDC 下的 CO₂排放，最高降幅为 12.40%。同时，第三主成分得分与 NOₓ排放呈较强的相关关系，当第三主成分得分较低时，NOₓ排放较低，伴随燃油第三主成分得分增加，多数燃油 NOₓ排放增加。可知，降低燃油的烯烃含量至 4%~8% 可以降低车辆在 NEDC 下的 NOₓ排放，最高降幅为 21.79%。

　　3 结论

　　(1)第一主成分得分高的燃油蒸气压较低，密度、初馏点、T₅、T₁₀、芳烃含量、终馏点和 RON 较高;第二主成分得分高的燃油重芳烃含量和 T₉₀较低;第三主成分得分高的燃油烯烃含量较高。

　　(2)第一主成分得分低的燃油在 UDC 和 NEDC 下的 CO₂排放较低，同时在 UDC 下的百公里油耗和当量百公里油耗较低。

　　(3)第三主成分得分低的燃油在 UDC、EUDC 和 NEDC 下的 NOₓ排放较低。

李培军;张晓腾;孔祥恩;赵 扬;刘海峰;尧命发,天津中石化悦泰科技有限公司;天津大学先进内燃动力全国重点实验室,202306