基于快速积碳的汽油清净增效剂评价方法研究

刘 斌 卢志美 丁雨青 银增辉 李腾腾

（中国汽车技术研究中心有限公司 天津 300300）

引言

日益严格的节能环保标准、碳排放政策对汽车油品提出了新的挑战。研究表明缸内直喷汽油机的积碳会影响喷雾、缸内燃烧、低速早燃等，进而影响发动机排放和性能[1-2]。国家政策指出要加快油品质量升级，2019 年1 月1 日起全面供应符合国六标准的车用汽柴油，在车用汽柴油中加入符合环保要求的燃油清净增效剂，汽车油品技术的革新及其对应的认证研究工作成为油企、添加剂公司和车企关注的焦点。但目前国内针对汽油清净增效剂的节能减排效果的评价标准仍然空缺，我国现有清净剂相关的标准主要有GB19592《汽油清净剂》、《汽油清净剂对汽油机进气阀和燃烧室沉积物生成倾向影响的发动机台架试验方法》。这些标准主要用于进气道喷射和非直喷发动机，其发动机技术陈旧，已经不能满足新技术条件下汽油清净增效剂的评价试验要求[3]。面对日益革新的发动机技术和越来越严格的排放法规同时为了更好地服务行业发展和政府采信，非常有必要建立燃油清净增效剂节能减排评价试验方法。

1 国内外研究现状

目前国外汽油清净剂发动机台架评价的方法主要有美国ASTM D6201 FORD 2.3L 发动机台架方法、欧洲的CEC F05 M102E 发动机台架方法和CEC F20 M111 发动机台架方法。ASTM D6201 方法采用Ford 2.3L 发动机作为试验发动机，用于评定汽油发动机燃料生成进气门沉积物的倾向，见表1。欧洲CEC F05方法采用德国梅塞德斯-奔驰公司的M102E 2.3L 汽油机作为试验用发动机，用于评定发动机进气阀沉积物生成倾向，M102 法的运行工况包括了怠速循环和低、中、高负荷的循环，比Ford 2.3L 法更具有实际行驶路况的代表性，见表2。试验结束后，通过对发动机进气阀进行评分以及对进气阀试验前后进行称重来评定汽油清净剂的效果。除此之外，欧洲CEC F20方法通过采用德国梅塞德斯-奔驰公司的M111 2.0L汽油机作为试验用发动机，用于评定发动机进气阀沉积物和燃烧室沉积物的生成倾向[4-5]，见表3。

表1 ASTM D6201 方法试验循环工况及参数

表2 CEC F05 方法试验循环工况及参数

表3 CEC F20 方法试验循环工况及参数

我国现有的汽油清净剂标准为GB 19592—2019《车用汽油清净剂》，除限制汽油清净剂的理化指标外，还限制使用燃油清净剂后的喷嘴质量流量损失率、模拟进气阀沉积物质量、平均进气阀沉积物质量以及总燃烧室沉积物质量增加率[6]。其中，喷嘴质量流量损失率和模拟进气阀沉积物质量的测量均在模拟的试验条件下进行；平均进气阀沉积物和总燃烧室沉积物质量增加率的测试方法为GB/T 19230.5—2003《汽油清净剂对汽油机进气阀和燃烧室沉积物生成倾向影响的发动机台架试验方法（Ford 2.3L 方法）》和GB/T 19230.6—2003《汽油清净剂对汽油机进气阀和燃烧室沉积物生成倾向影响的发动机台架试验方法（M111 法）》，这两种方法均以进气道喷射发动机为主要研究对象，采用的试验方法也是模拟的试验条件，与实际节能减排情况有较大的差距。

随着发动机技术的日益革新，涡轮增压、缸内直喷等技术的应用，目前的清净增效剂评价方法已不能满足要求，因此本文提出一种全新的汽油清净增效剂评价方法，能够适用于缸内直喷等新型发动机，且能够定量地评价燃油清净增效剂节能减排的能力。

2 评价方法试验研究

本研究以节能减排为最终目标，能够真实、准确地反映燃油清净增效剂对发动机性能、排放的影响。选用奥地利AVL 台架测试系统和电力测功机来进行试验，并配备进气温湿度控制系统、气象站监测系统、冷却水恒温系统等来对发动机的运行参数进行边界控制，同时保证测试设备和环境的稳定性，利用常规污染物气体分析仪、微碳烟度计、颗粒计数器等直接监测发动机尾气排放水平。

2.1 快速积碳方法

清净增效剂的一大作用就是清除发动机内部产生的积碳，所以要想评价它的清洁作用，就必须首先产生积碳。本研究基于台架稳态测试工况试验，相比整车轮毂试验，可以实现更高效更简易的燃烧室积碳。整个评价方法在开发时考虑尽可能贴近实际，能够真实模拟汽车发动机的运行过程。市区、市郊以及高速混合台架测试循环平均车速73.3 km/h，循环由发动机转速1 750 r/min、1 900 r/min 和2 250 r/min对应的实测车速40 km/h、60 km/h、90 km/h 三种车速组成，每个循环为244.3 km/200 min。图1 为模拟整车行驶路况并且用于快速积碳的台架试验工况。程序控制工况切换时，发动机转速转矩调整时间均为30 s，保证运转安全稳定。

图1 台架试验工况

另一方面，结合图2 PM 和颗粒物排放也可以看出，PM 排放较大的工况多分布于2 000 r/min 附近50～100N·m 的中低负荷。PN 排放较大的区域为中高转速大负荷，其次为2 000 r/min 附近50～80N·m 的中低转速。因此，综合选择PM 和PN 排放水平均较高的工况更有利于积碳的快速生成[7-8]。

相关研究表明，发动机运行一段时间后会在缸内、进排气阀处、喷油器喷嘴处产生明显的积碳，而其中喷孔内产生的积碳会影响喷油的锥角、贯穿距等从而导致喷油量下降[9]。为了弥补修正喷油量，发动机ECU会增加喷油脉宽持续期来维持喷油量的稳定，这就是长期燃油脉宽修正系数。有作者研究表明，长期燃油修正系数在发动机长时间运行后会逐渐从1 上升到1.05，而后维持稳定不再上升，说明积碳的形成达到稳定。实验表明，发动机运行约3000km 后缸内出现明显积碳且长期燃油修正系数达到1.05 保持稳定[10]。考虑到实际累碳时间较长，本文选择在燃油内添加适量加速剂来加速发动机的积碳过程。选择叔丁基二硫醚、叔丁基过氧化氢作为加速剂与基准汽油定量配比使用。因为两种物质都提取自石油，且与基准燃油相比，加速剂的硫分较多，而叔丁基过氧化氢作为催化剂，能继续加速喷嘴积碳的形成，从而达到快速累碳的目的。表4 为基准汽油和定量添加加速剂后的汽油理化性质指标。经试验验证，添加加速剂后运行约2 000 km 即可形成明显积碳且此时长期燃油修正系数约为1.05，即证明使用加速剂后可以有效加速发动机的积碳速度，缩短累碳阶段所需里程数。

表4 基准汽油及添加加速剂后的燃油指标

基于以上考虑并结合评价标准制定整个评价方法的试验流程如图3 所示。整个流程分为两大块，即累碳过程和清洁过程，同时在两次过程结束后都对其进行性能和排放的测试用以对比。值得注意的是在第一次连续累碳之后要进行二次性能排放，这会导致长期燃油脉宽修正系数下降，这是由于排放中选用的高转速高负荷工况对积碳有一定清除作用，所以在二次性能排放后需再次累碳，使其燃油修正系数回到二次排放之前的水平。这三次性能排放试验中，第一次主要用于校核发动机初始排放和性能以及确定喷嘴的状态，满足一致性和重复性的要求。第三次性能排放添加清净增效剂，用于和第二次没有添加清净增效剂来进行对比，分析汽油清净增效剂对燃烧及排放和性能的影响。

图3 汽油清净增效剂评价流程

2.2 清洁性能评价

根据以上制定的评价方案及标准，并结合台架试验特点，详细制定了测试规程。首先在每次完整试验前用超声波清洗器彻底清洗喷油器总成，并用标定软件对发动机ECU 自学习值清除。在整个评价过程中，发动机所有性能排放试验均不添加加速剂，以避免不必要的影响，污染物排放的测量为后处理装置前的原机排放。

在完成二次性能排放试验并在二次累碳完成之后，即开始清净增效剂的评价测试环节。在基础汽油当中按照一定比例添加汽油清净增效剂并使其充分混合，添加清净增效剂之后的循环工况通过长期燃油修正系数的变化来反映发动机喷嘴处的积碳程度，即反映了汽油清净增效剂清洁作用的优劣；后面的高温除碳与快速积碳循环相比增加了高转速高负荷的工况，这是为了快速清除喷嘴处的积碳，保证在终了排放测试时不会有积碳的影响。在开始进行试验之前需控制发动机的各项边界参数，如表5 所示。

表5 试验边界条件控制要求

3 试验论证

为了验证该方法的科学性和严谨性，选用市面上一款认可度较高的清净增效剂来进行试验验证。采用本研究方法来进行测试，得到如下结果，图4 为转矩的变化趋势。从图中可以看出，在完成快速累碳过程之后，发动机无论在高转速还是低转速下的转矩都不同程度地降低，这是由于燃烧室内积碳后，发动机缸内尤其是喷嘴处产生大量积碳堵塞了喷嘴，导致喷油量下降同时喷油雾化较差，从而产生大分子油滴。这些都会导致燃料在缸内燃烧不充分，形成积碳进而加剧这一过程。而加速剂在其中起到了催化剂的作用，加速了这一过程；在使用清净增效剂后，发现发动机转矩较之前都得到了改善。究其原因，一方面清净增效剂中含有大分子胶体，对积碳有一定的冲刷、溶解等作用；另一方面清净增效剂中的抗爆剂、分散剂等成分对燃烧有很好的改善，能使燃烧更加均匀和充分，这也对转矩的提升有一定的效果[11-12]。值得注意的是，使用清净增效剂后，低转速下发动机转矩改善效果较为突出，这是由清净增效的成分所决定的，这不是本文的重点，故不展开分析。

图4 发动机外特性对比

从污染排放物的角度也能得出相同的结论，见图5。由于数据量较大，所以挑选具有代表性的25%、50%、75%和100%工况下的THC 排放水平作对比来进行分析。从图中可以看出，使用清净增效剂之后，大多数工况下排放水平均得到了很好的改善。这是因为清净增效剂能够使燃烧更充分，减少不完全氧化产物的生成，从而降低排放污染物。NOx和CO 变化趋势大致相同，便不再赘述。

图5 THC 变化率

同样地，加入清净增效剂之后，燃烧室内包括喷嘴处的积碳得到了清除，长期燃油修正系数下降，喷油量下降而且燃烧充分，都使得燃油消耗量降低，其变化率如图6 所示。最后，通过计算可以得出，使用该款汽油清净增效剂后，平均转矩升高率约为1.87%，平均燃油消耗率下降2.3%，三种主要气体排放污染物综合改善率达到了11%左右。

图6 燃油消耗量变化率

4 结论

本文详细介绍了一种针对汽油清净增效剂的评价方法，通过基于快速积碳的方法来对汽油清净增效剂进行全面评价。利用外特性、燃油消耗量、排放污染物等指标的变化来评价使用汽油清净增效剂对发动机的清洁性能、节能减排性能以及动力提升性能。本研究方法为包括汽油在内的燃油清净增效剂研究开发提供了评价方法和参考依据。