车用乙醇汽油抗爆指数与敏感性研究

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　　摘      要：采用车用乙醇汽油样品作为试样，根据GB/T 5487-2015和GB/T 503-2016方法要求测试其研究法辛烷值RON和马达法辛烷值MON。考察RON与MON关系，进而给出研究法辛烷值与汽油敏感性之间的关系，通过多项式拟合，使得马达法辛烷值的预测水平较高，同时预测马达法辛烷值在标准燃料配制过程中所产生的经济效益进行详细阐述。马达法辛烷值的预测结果表明：针对某一汽油样品时，马达法辛烷值预测值与实测值偏差为0.5个单位。
　　关  键  词：汽油;马达法辛烷值;敏感性;多项式拟合
　　中图分类号：TB99       文献标识码： A       文章编号： 1671-0460（2020）04-0603-04
　　Abstract： Using automotive ethanol gasoline samples as test samples， their research octane number and motor octane number were tested according to GB/T 5487-2015 and GB/T 503-2016 methods.The relationship between RON and MON was investigated， and then the relationship between research octane number and sensitivity of gasoline was given. Through polynomial fitting， the prediction level of motor octane number is relatively high， and the economic benefits of predicting motor octane number in the process of preparing standard fuel were elaborated in detail. The prediction results of motor octane number showed that the deviation between the predicted value and the measured value of motor octane number was 0.5 units for a certain gasoline sample.
　　Key words： Gasoline; Motor octane number; Sensitivity of gasoline; Polynomial fitting
　　
　　隨着汽柴油质量升级的迫切要求，排放法规日益完善，车用乙醇汽油的质量指标控制更为严格。抗爆震指数能够反映出车辆一般运行条件下的平均抗爆性能。马达法辛烷值或研究法辛烷值[1]都不能全面反映车辆运行时的抗爆性能。通过总结车用乙醇汽油抗暴指数的数据，能够整理出不同样品的汽油敏感性指标。从而，根据马达法辛烷值可预测其研究法辛烷值，反之亦然。在发动机台架评定开始前，就可以有针对性的混合标准燃料，从而有效地提高台架评定工作效率，对减少评定时间起到积极作用。
　　近年来，随着大批汽油产品检测分析的工作开展，车用乙醇汽油产品标准[2]中的指标要求更为严格，必须高效地开展评定工作，通过总结规律，采用样品敏感性来预测，一定程度上能够减少台架评定的时间，从而降低成本。
　　本文对92号、95号车用乙醇汽油的敏感性进行了试验研究，采用多项式拟合方法预测某汽油样品的马达法辛烷值[3]，预测的精度较高，给出了多个车用乙醇汽油敏感性，并绘制敏感性曲线。
　　1  多项式回归理论
　　在实际问题中，两个变量的内在关系往往是非线性的，并不是所有问题都能通过变量变换化曲线为直线的方法解决。任何函数至少在一个比较小的邻域内可以用多项式逼近。
　　 （1）确定多项式的表达形式，精度保证在误差范围内，而K值选的尽可能小一些。
　　 （2）求出多元线性回归模型的回归系数，通过变量变换求解正规方程。
　　 （3）回归方程效果检验。
　　汽油的研究法辛烷值与马达法辛烷值的多组试验数据构成多项式回归模型。本文就是利用研究法辛烷值预测92号、95号车用乙醇汽油马达法辛烷值，根据预测结果决定所采用的标准燃料辛烷值，为得到燃料的实际马达法辛烷值提供参考[4]。
　　2  预测汽油马达法辛烷值的多项式回归模型
　　测定多个汽油样品的研究法辛烷值和马达法辛烷值，得到测量值如下。
　　10个汽油样品的辛烷值测量数字序列为：（94.6，84.1）、（94.8，84.0）、（94.3，84.5）、（94.2，83.7）、（94.9，84.4）、（94.5，84.7）、（94.6，84.0）、（94.3，84.6）、（94.9，84.7）、（94.3，84.4）。
　　不同的汽油种类，其敏感性有差异。通过测量多个样品，整理实验数据得到如图1所示的研究法辛烷值RON与马达法辛烷值MON的映射关系曲线。根据图1，绘制不同汽油的敏感性曲线如图2所示。
　　3  汽油敏感性
　　在日常试验中，通常使用抗爆指数来评价汽油的抗爆震性，抗爆指数能够更为真实地反映行车过程中汽油抗爆震特性[5]。操作人员使用研究法辛烷值机评定汽油的研究辛烷值，简称为RON，使用马达法辛烷值机评定汽油的马达法辛烷值，简称为MON。使用上述两台仪器分别评定，导致总的评定时间很长，分析测试效率不高，标准样品配置量较多，设备的总运行时间较长，从而导致设备的运行成本较高。通过总结实验数据，能够发现RON与MON之间存在一定规律。通过建立两者之间的数学模型，基于一定的拟合方法，可实现MON的预测。因此，通过研究法辛烷值能够初步预测一个估计的MON值，根据预测值，操作人员可以更加有效地配制标准样品，较少分析评定的时间，同时也可以节省标准样品的消耗。根据实测值，可以反映出预测MON的水平。对于同一类性质的汽油样品，可以使用相同的拟合方法，但对于不同性质的汽油，其敏感性可能存在较大差异，导致不能使用一种拟合方法预测马达法辛烷值[6]。 　　4  汽油马达法辛烷值的多项式拟合
　　根据图1中的一组观察值，为非线性关系，由多项式回归理论，可采用一个K次多项式进行拟合。以一组观察值中的研究法辛烷值为自变量x，马达法辛烷值为因变量y。按照多项式回归的步骤进行，得到如下的拟合多项式，见图3。
　　图3中，散点为实测的研究法辛烷值-敏感性序列，曲线为拟合后的多项式曲线。从图中可知，拟合曲线基本上与实测值的变化趋势相吻合。通过对第11个编号为FY001汽油样品进行研究法辛烷值的评定，经试验得到其研究法辛烷值为94.7。通过将测试的第11个样品研究法辛烷值来验证拟合曲线的拟合程度[7]。带入数学模型得到对应的敏感性数值为11.0，从而预测的马达法辛烷值为83.7。
　　马达法评定试验结果表明，第11个汽油样品的马达法辛烷值为84.2，实际敏感性为10.5。预测的马达法辛烷值略低于实际测量值0.5个单位。
　　5  预测马达法辛烷值产生的经济效益
　　在未使用预测模型对汽油马达法辛烷值进行预测时，操作人员需要分别测定汽油样品的马达法辛烷值和研究法辛烷值。两台设备运行时，需要分别配制对应的标准样品。测定研究法辛烷值时，根据对应标准（GB/T 5487-2015），需要配制研究法辛烷值为94.0的标准样品共300 mL。测定马达法辛烷值时，根据对应标准（GB/T 503-2016）需要配制辛烷值为84.0的标准样品300 mL。因此，共需要配制标准样品600 mL。研究法和马达法的标准样品配比，见表1和表2。
　　使用多项式拟合的方法预测马达法辛烷值时，可根据预测值配制更少的标准样品量，操作人员选取适宜的标准样品辛烷值所需要的时间更短。在通常的试验中，没有预测模型的引入，操作人员时常需要尝试配制2种不同辛烷值的标准样品，因为操作人员对于试样汽油样品辛烷值的估计难免出现偏差，通常需要试探进行，从而找到符合要求的辛烷值，据此决定各组分的混合比例。引入多项式拟合的方法后，操作人员可直接配制与预测值的辛烷值最接近的标准样品，省去了试探过程所需要的时间，节省了试探过程中所造成标准样品的不必要浪费，分析评定的时间因此大大地减少。
　　通过台架试验[8]，发现使用多项式拟合的方法预测，使得同体积的马达法辛烷值的标准样品量可评定更多的样品。常规试验中，300 mL的标准样品最多可以评定4个辛烷值与之对应的汽油样品。使用预测马达法辛烷值的方法，同体积的马达法辛烷值的标准样品量可评定最多8个样品，平均单个样品台架评定试验的标准样品消耗量降低50%。
　　 标准样品依赖进口，价格不低，暂且按照每升100元计算，假设每年台架评定试验室消耗标准样品200 L，那么消耗标准样品所产生的费用高达2万元。通过采用多项式拟合来预测车用乙醇汽油的马达法辛烷值，可节省大约50%的标准样品，从而每年可以节省标准样品材料费用1万元，为试验室带来更大的经济效益，同时台架实验室分析评定的效率进一步提高。
　　6  车用乙醇汽油抗爆指数与敏感性
　　整理上述10个汽油样品的辛烷值测量数字序列[9]，计算出每个样品的抗爆指数，再建立抗爆指数与敏感性数字序列：
　　（89.4，10.5）、（89.4，10.8）、（89.4，9.8）、（89.0，10.5）、（89.6，10.5）、（89.6，9.8）、（89.3，10.6）、（89.4，9.7）、（89.8，10.2）、（89.4，9.9）。
　　从以上数字序列中，不同编号的2个汽油的抗爆指数相同时，其敏感性可能不同，敏感性越大时，表明对应汽油的研究法辛烷值与马达法辛烷值差值越大。多个汽油样品可能存在敏感性相同的情况， 而其抗爆指数存在一定差异，敏感性与抗爆指数之间不是简单的线性关系[10]。
　　7  汽油敏感性的平均值
　　总结以上10个汽油样品的抗爆指數以及敏感性数据，计算得到汽油样品平均敏感性数值，平均敏感性用S表示，S=10.2。通过汽油敏感性的平均值也可以实现马达法辛烷值的预测，相比多项式回归预测马达法辛烷值更为简化[11]。可以作为一种预测马达法辛烷值的近似估计。
　　在测得研究法辛烷值后，根据平均汽油敏感性数值近似计算出马达法辛烷值。根据10个数字序列，得到平均敏感性与单个样品敏感性的最大差值0.6。根据平均汽油敏感性数值[12-13]，计算马达法辛烷值的结果如下数字序列：
　　（94.6，84.4）、（94.8，84.6）、（94.3，84.1）、（94.2，84.0）、（94.9，84.7）、（94.5，84.3）、（94.6，84.4）、（94.3，84.1）、（94.9，84.7）、（94.3，84.1）。
　　从以上序列可知，研究法辛烷值不变，马达法辛烷值根据平均汽油敏感性计算得到。研究法辛烷值与平均汽油敏感性计算得到的马达法辛烷值，其对应关系如图5所示。
　　8  马达法辛烷值预测结果与实测值比较
　　将10个汽油样品的马达法辛烷值，通过评定机逐个检测，得到其马达法辛烷值实测结果。根据多项式回归模型，统计10个汽油样品的预测马达法辛烷值。将2组数据分别绘制如下，见图6。
　　9  结束语
　　本文根据多项式拟合的方法对车用乙醇汽油研究法辛烷值与其敏感性进行了研究，并绘制了关系曲线。针对一组测量样品，将其马达法辛烷值实测值与多项式拟合预测的马达法辛烷值进行比较，对拟合曲线进行了验证。
　　通过研究汽油的敏感性与研究法辛烷值关系，使得发动机台架评定试验时，能有针对性的混合标准燃料，从而有效地提高台架评定工作效率，对减少评定时间起到积极作用。可大量地减少标准样品的消耗量，降低台架试验室的设备运行成本。
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