引言

　　隨著世界汽車保有量的快速增長，能源消耗與環(huán)境污染問題日益嚴(yán)重。降低燃油消耗與改善排放成為汽油機(jī)研發(fā)的主要目標(biāo) [1-2]。因此，各種發(fā)動機(jī)先進(jìn)技術(shù)如超高噴油壓力、可變進(jìn)排氣系統(tǒng)以及高效后處理系統(tǒng)等 [7-8] 得到快速發(fā)展。除技術(shù)革新外，國內(nèi)外學(xué)者認(rèn)為燃油本身特性也會對汽油機(jī)的燃燒和排放產(chǎn)生顯著影響 [9-10]。左子農(nóng)等 [11] 研究了不同辛烷值汽油的動力性、經(jīng)濟(jì)性和排放特性，結(jié)果表明：相較 95 號汽油，97 號汽油指示平均有效壓力最大增幅為 4.07%，燃油消耗率最高降幅為 2.8%，但總碳?xì)?THC)、CO 和 NOₓ排放略有增加。Zhang 等 [12] 研究了汽油芳烴含量對汽油機(jī)燃燒和排放的影響，結(jié)果表明：增加芳烴含量會增加汽油機(jī)顆粒物排放。Yang 等 [13-14] 研究也得出相似的結(jié)果，且汽油中的總芳烴會顯著增加非甲烷烴、THC、甲醛和苯、甲苯等單環(huán)芳烴排放。Shen 等 [15] 研究發(fā)現(xiàn)，汽油烯烴含量由 10% 增至 25% 可使 THC 排放減少約 15%，而芳烴含量由 35% 增至 45%，NOₓ排放增加約 4%。Andrae 等 [16] 研究了烯烴對汽油機(jī)排放特性的影響，結(jié)果表明：烯烴有助于降低汽油機(jī)碳煙排放。Zhao 等 [17] 研究發(fā)現(xiàn)，異構(gòu)烷烴、環(huán)烷烴和芳烴對汽油機(jī) CO 和 NOₓ排放影響較大，而烷烴、烯烴、芳烴和炔烴則對汽油機(jī)揮發(fā)性有機(jī)物排放影響較大。

　　餾程是衡量燃油蒸發(fā)的重要指標(biāo)之一，對汽油機(jī)的燃燒和排放具有重要影響。Takei 等 [19] 研究了 50% 蒸發(fā)溫度(T₅₀)和 90% 蒸發(fā)溫度(T₉₀)對乘用車排放影響，結(jié)果表明：適當(dāng)降低 T₅₀和 T₉₀有助于降低 THC 排放。Qian 等研究發(fā)現(xiàn)，降低 T₅₀有助于提高燃油燃燒效率，有利于甲烷、乙烷、異戊烷、乙烯、丙烯和乙炔等非常規(guī)排放的降低，但 NOₓ排放有所增加。Zhu 等 [21] 研究了芳烴、烯烴、T₅₀和 T₉₀對缸內(nèi)直噴汽油機(jī)排放特性的影響，結(jié)果表明：芳烴和 T₅₀對常規(guī)氣體排放的影響大于烯烴和 T₉₀，隨著芳烴和 T₅₀的降低，顆粒物粒徑和數(shù)量也會產(chǎn)生顯著影響。Den Ouden 等 [22] 進(jìn)行了 22 輛歐洲汽車燃用 40 種燃油的排放測試，結(jié)果表明：對于沒有后處理的汽車，影響碳煙最重要的燃料特性是密度。Lange 等 [23]、Ryan 等 [24] 也證明降低密度不僅有助于降低碳煙排放，同時(shí)也有助于降低 NOₓ、CO 和 HC 的排放。

　　燃油不同理化特性之間是相互關(guān)聯(lián)、相互影響的，各種特性的影響很難單獨(dú)解耦。現(xiàn)有研究多是針對單一理化特性變化對發(fā)動機(jī)燃燒和排放的影響，并未探明燃油不同理化特性的綜合影響規(guī)律。近年來，國內(nèi)外學(xué)者開始利用主成分分析法揭示燃油不同理化特性的綜合影響。劉海峰等 [25] 利用主成分分析法研究了柴油烴族組分對柴油機(jī)排放的影響，結(jié)果表明：柴油機(jī)排放主要受總芳烴影響，其中苊類、苊烯類對 CO、NOₓ和碳煙排放影響較為顯著。

　　進(jìn)一步，劉海峰等 [26] 利用主成分分析法探明了柴油機(jī)質(zhì)量油耗主要受總飽和烴、總芳烴、苊類和苊烯類影響，而體積油耗主要受鏈烷烴、萘、總飽和烴和總芳烴影響。Carvalho 等 [27] 采用主成分分析法研究了純汽油質(zhì)量與成分之間的關(guān)系，并根據(jù)主成分的得分圖和載荷圖，將 24 個(gè)汽油樣本分為 4 組，并確定導(dǎo)致這種分離的最重要變量是 T₅₀、T₉₀、終餾點(diǎn)、異鏈烷烴、鏈烷烴、環(huán)烷烴。筆者通過一臺裝配進(jìn)氣道噴射(PFI)汽油機(jī)的乘用車，燃用 89 號加劑汽油、92 號加劑汽油、95 號加劑汽油和成品汽油共 34 種燃油，進(jìn)行新歐洲駕駛循環(huán)(NEDC)試驗(yàn)，利用主成分分析法全面分析了燃油 12 種理化特性對整車經(jīng)濟(jì)性和排放性能的影響;將得到的主成分作為描述燃油理化特性對汽車整車性能影響的重要指標(biāo)，以期為燃油特性優(yōu)化提供參考。

　　1 試驗(yàn)燃油、試驗(yàn)設(shè)備與研究方法

　　1.1 試驗(yàn)燃油和試驗(yàn)設(shè)備

　　試驗(yàn)通過一臺中國市售自動擋、輕型乘用車進(jìn)行，裝配一臺自然吸氣、氣道噴射的汽油機(jī)。

　　試驗(yàn)燃油共計(jì) 34 種，包括公司 1-5 市售汽油、89 號加劑汽油、92 號加劑汽油和 95 號加劑汽油，每種燃油理化特性均有差異，其中加劑汽油基礎(chǔ)油品均為調(diào)配的試驗(yàn)油品，21-25 號加劑汽油基礎(chǔ)油品為 121-125 號油品，12-15 號加劑汽油基礎(chǔ)油品為 121-125 號油品。

　　汽車在轉(zhuǎn)鼓上運(yùn)行模擬實(shí)際道路駕駛，尾氣通過稀釋通道模擬尾氣排入大氣環(huán)境過程，稀釋后的尾氣按照固定的流量排進(jìn)大氣中，并按固定流量引入一部分存在氣袋中。整個(gè)試驗(yàn)過程中，排放分析儀在線測量稀釋尾氣中的氣體排放濃度，同時(shí)在試驗(yàn)循環(huán)結(jié)束后對存放在氣袋中的稀釋尾氣和空氣進(jìn)行組分濃度分析，試驗(yàn)中油耗測量結(jié)果和氣體排放結(jié)果均來自氣袋組分分析。

　　1.2 研究方法

　　1.2.1 NEDC 循環(huán)試驗(yàn)

　　為了全面評估各種燃油的排放特性和燃油經(jīng)濟(jì)性，試驗(yàn)參考 GB 18352.5-2013 中的 I 型試驗(yàn)，其中試驗(yàn)循環(huán)采用 NEDC，共計(jì) 1180s，其中前 780s 為市區(qū)駕駛循環(huán)(UDC)，由 4 個(gè)相同的 ECE-15 循環(huán)組成，每個(gè) ECE-15 循環(huán)持續(xù)時(shí)間為 195s，后 400s 為市郊駕駛循環(huán)(EUDC)。

　　為了反映出燃油理化特性對汽車排放性能的影響，筆者測量三效催化器前的汽車原始排放。試驗(yàn)前車輛靜置 12h 以上，考慮到現(xiàn)代汽車起停技術(shù)的廣泛應(yīng)用，造成汽車的熱狀態(tài)起動較冷狀態(tài)起動更為頻繁，為了獲得更接近汽車實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)的數(shù)據(jù)，每種燃油分別進(jìn)行了 1 次冷狀態(tài)起動的 NEDC，以預(yù)熱發(fā)動機(jī)。為了確保試驗(yàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，每種燃油至少進(jìn)行了 2 次重復(fù)的 NEDC 測試。測試過程中，實(shí)際車速與理論車速誤差小于 1km/h。為了保證數(shù)據(jù)的可靠性，試驗(yàn)過程中胎壓保持為 0.228-0.230MPa，室溫保持為 25℃，同時(shí)定期更換機(jī)油、空氣濾清器和機(jī)油濾清器。每次更換燃油時(shí)完全排空油箱和燃油濾清器及外部汽油管路中的燃油，并更換燃油濾清器，再用下一組待試驗(yàn)的燃油進(jìn)行油箱和管路清洗。正式試驗(yàn)前，使汽車在車速為 70-90km/h 下運(yùn)行 20min 以上，以排除上一組試驗(yàn)燃油干擾。根據(jù)碳平衡法計(jì)算車輛的百公里油耗。

　　1.2.2 主成分分析法及其分析過程

　　主成分分析法是采用降維和簡化的思想，在損失較少信息的前提下將多個(gè)變量轉(zhuǎn)變?yōu)樯贁?shù)幾個(gè)綜合指標(biāo)的多元統(tǒng)計(jì)方法。

　　轉(zhuǎn)化生成的綜合指標(biāo)被稱為主成分，每個(gè)主成分都是原始變量的線性組合。根據(jù)原始變量在主成分上的載荷，可以篩選出與主成分具有明顯相關(guān)關(guān)系的變量;同時(shí)，通過觀察主成分與因變量之間的關(guān)系，可以判斷原始變量是否與因變量有關(guān)。主成分詳細(xì)分析方法可參見文獻(xiàn) [28]。

　　設(shè) Zᵢ表示第 i 個(gè)主成分，Xᵢ表示第 i 個(gè)原始變量，且 i=1，2，…，p，各主成分與各原始變量之間的關(guān)系可表示為式(1)。其中對于每個(gè)主成分 Zᵢ，均有 cᵢ₁²+cᵢ₂²+…+cᵢₚ²=1。

　　用于檢驗(yàn)各原始變量之間有無關(guān)聯(lián)程度。KMO 取值越高說明變量之間的相關(guān)性越好。Bartlett 的球形度檢驗(yàn)系數(shù)取值越低說明變量之間的相關(guān)性越好。兩者用于確保數(shù)據(jù)樣本的質(zhì)量和可靠性。在 KMO≥0.6、Sig≤0.05 的情況下主成分分析是適用的。

　　一般情況下主成分累計(jì)貢獻(xiàn)率超過 80% 即可使用并代替原始變量進(jìn)行分析 [2]。PC₁為第一主成分，同理，PCₓ為第 x 主成分?？芍?3 個(gè)主成分能夠解釋原始變量 83.68% 的信息，三主成分的特征值差值比較大，而其他特征值差值比較小，因而保留 3 個(gè)主成分能夠概括絕大部分原始變量信息。

　　2 結(jié)果與討論

　　2.1 主成分得分與燃油理化性質(zhì)的關(guān)聯(lián)分析

　　某一變量在第 k 主成分上的載荷表示了其對第 k 主成分的貢獻(xiàn)，絕對值越接近 1，說明該變量與第 k 主成分的相關(guān)性越高，載荷為正表明該變量與第 k 主成分呈正相關(guān)，反之呈負(fù)相關(guān)。大多數(shù)原始變量在第一主成分上的載荷絕對值最高，在第二主成分上的載荷絕對值次之，而在第三主成分上的載荷絕對值最低，說明大多數(shù)原始變量與第一主成分密切相關(guān)。RON、密度、蒸氣壓(RVP)、初餾點(diǎn)、T₅、T₁₀、芳烴含量和終餾點(diǎn)等 8 個(gè)原始變量在第一主成分上的載荷絕對值均在 0.70-0.88 以上，而在其他兩個(gè)主成分上的載荷絕對值均低于 0.30，多數(shù)位于 0.10 以下，表明僅采用第一主成分就可以較好地表示這 8 個(gè)原始變量攜帶的相關(guān)信息。而重芳烴含量、T₅₀、T₉₀和烯烴含量等 4 個(gè)原始變量在不同主成分上的載荷絕對值較為接近，需要采用兩個(gè)或三個(gè)主成分才可以充分表示出這 4 個(gè)變量攜帶的相關(guān)信息。

　　可得到主成分得分與原始變量之間的關(guān)系，其中僅展示相關(guān)系數(shù)大于 0.60 的關(guān)系(具有較強(qiáng)線性相關(guān)性)?？芍谝恢鞒煞值梅峙c蒸氣壓呈較強(qiáng)的負(fù)相關(guān)關(guān)系，而與密度、初餾點(diǎn)、T₅、T₁₀、芳烴含量、終餾點(diǎn)和 RON 呈較強(qiáng)的正相關(guān)關(guān)系。第一主成分得分高的燃油意味著蒸氣壓低，而密度、初餾點(diǎn)、T₅、T₁₀、芳烴含量、終餾點(diǎn)和 RON 高。初餾點(diǎn)、T₅、T₁₀和終餾點(diǎn)反映出了燃油的餾程特性，其與燃油的蒸發(fā)性和輕重組分含量密切相關(guān)，從餾程數(shù)據(jù)可大致判斷燃油中輕、重餾分的比例及蒸發(fā)性能 [9]。餾程餾程溫度升高則燃油中芳烴等重組分含量增加，而由于芳烴等重組分難于蒸發(fā)及分子質(zhì)量較大，相應(yīng)的蒸氣壓和密度則會分別出現(xiàn)降低和增加的趨勢。對于燃油烴族組分，RON 的貢獻(xiàn)率為芳烴 > 異構(gòu)烷烴 > 環(huán)烷烴 > 正構(gòu)烷烴，因而芳烴含量的增加也會導(dǎo)致 RON 提高 [29]。

　　可見，生成的第一主成分不僅與汽油理化特性原始變量密切相關(guān)，還兼顧了各變量之間的相關(guān)關(guān)系，能夠替代原始變量對整車性能進(jìn)行分析。借助生成的主成分可以篩選對于整車性能具有顯著影響的汽油理化特性，從而揭示汽油不同理化特性的綜合影響。此外，第二主成分得分與重芳烴含量和 T₉₀呈較強(qiáng)的負(fù)相關(guān)關(guān)系，主成分得分高的燃油重芳烴含量和 T₉₀低。重芳烴是燃油蒸發(fā)過程中最后蒸發(fā)的物質(zhì)，其含量增加顯然會導(dǎo)致 T₉₀升高。第三主成分得分與烯烴含量呈較強(qiáng)的正相關(guān)關(guān)系，第三主成分得分高的燃油有較高的烯烴含量。通過采用主成分分析，筆者將燃油的 12 種理化特性降維為 3 個(gè)主成分，并且通過計(jì)算相關(guān)系數(shù)篩選出了與各主成分得分具有密切相關(guān)的理化特性。

　　2.2 主成分得分與整車性能的關(guān)聯(lián)分析

　　由于 CO 和 HC 等排放與主成分得分的相關(guān)性較差，因而僅展示與主成分得分具有明顯相關(guān)性的整車性能指標(biāo)?？芍?，在 UDC 中，第一主成分得分與百公里油耗、當(dāng)量百公里油耗以及 CO₂排放呈較強(qiáng)的正相關(guān)關(guān)系，第一主成分得分較低的燃油其百公里油耗、當(dāng)量百公里油耗以及 CO₂排放較低。在 UDC 工況下，提高燃油的蒸氣壓至 69-72kPa、降低燃油的密度至 720-730kg/m³、降低初餾點(diǎn)至 35-37℃、降低 T₅至 40-43℃、降低 T₁₀至 48-52℃、降低芳烴含量至 22-26%、降低終餾點(diǎn)至 169-176℃以及降低 RON 有助于第一主成分得分的降低，進(jìn)而可以降低車輛 UDC 下的百公里油耗、當(dāng)量百公里油耗以及 CO₂排放，其中百公里油耗最高降幅為 14.80%，CO₂排放最高降幅為 18.14%。

　　餾程溫度的降低和蒸氣壓的提高改善了燃油的霧化蒸發(fā)效果，并使燃油當(dāng)量比分布更加均勻，有助于提高燃油的燃燒性能并降低油耗 [30]。芳烴含量增加時(shí)總?cè)紵龝r(shí)間延長、燃燒效率降低 [31]，因而油耗增加，降低芳烴含量有助于降低油耗。UDC 工況下缸內(nèi)溫度較低且混合氣較為稀薄，降低燃油的 RON 有助于縮短著火落后期 [32]，從而減少過度混合和促進(jìn)更快的燃燒 [30,32]，進(jìn)而降低油耗。

　　同時(shí)，在 UDC 中，第三主成分得分與 NOₓ排放呈較強(qiáng)的正相關(guān)關(guān)系，第三主成分得分較低的燃油 NOₓ排放較低。降低燃油的烯烴含量至 4%-8% 可以降低車輛 UDC 下的 NOₓ排放，最高降幅為 32.61%。烯烴含量降低會降低混合氣的燃燒速度和反應(yīng)活性，因而高溫區(qū)域不易形成，從而有助于降低 NOₓ排放 [33]。

　　在 EUDC 中，第三主成分得分和 NOₓ排放呈較強(qiáng)的相關(guān)關(guān)系，第三主成分得分較低的燃油 NOₓ排放較低，這與車輛在 UDC 工況下的規(guī)律一致。降低燃油的烯烴含量至 4%~8% 可以降低車輛在 EUDC 循環(huán)下的 NOₓ排放，最高降幅為 14.01%。車輛在 NEDC 下第一主成分得分與當(dāng)量百公里油耗的關(guān)系減弱，但第一主成分得分與 CO₂排放仍呈較強(qiáng)的相關(guān)關(guān)系。第一主成分得分較低的燃油 CO₂排放較低，伴隨燃油第一主成分得分提高，多數(shù)燃油 CO₂排放增加。

　　提高燃油的蒸氣壓至 69~72kPa、降低燃油的密度至 720~730kg/m³、降低初餾點(diǎn)至 35~37℃、降低 T₅至 40~43℃、降低 T₁₀至 48~52℃、降低芳烴含量至 22%~26%、降低終餾點(diǎn)至 169~176℃及降低 RON 可以降低車輛在 NEDC 下的 CO₂排放，最高降幅為 12.40%。同時(shí)，第三主成分得分與 NOₓ排放呈較強(qiáng)的相關(guān)關(guān)系，當(dāng)?shù)谌鞒煞值梅州^低時(shí)，NOₓ排放較低，伴隨燃油第三主成分得分增加，多數(shù)燃油 NOₓ排放增加?？芍?，降低燃油的烯烴含量至 4%~8% 可以降低車輛在 NEDC 下的 NOₓ排放，最高降幅為 21.79%。

　　3 結(jié)論

　　(1)第一主成分得分高的燃油蒸氣壓較低，密度、初餾點(diǎn)、T₅、T₁₀、芳烴含量、終餾點(diǎn)和 RON 較高;第二主成分得分高的燃油重芳烴含量和 T₉₀較低;第三主成分得分高的燃油烯烴含量較高。

　　(2)第一主成分得分低的燃油在 UDC 和 NEDC 下的 CO₂排放較低，同時(shí)在 UDC 下的百公里油耗和當(dāng)量百公里油耗較低。

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

李培軍;張曉騰;孔祥恩;趙 揚(yáng);劉海峰;堯命發(fā),天津中石化悅泰科技有限公司;天津大學(xué)先進(jìn)內(nèi)燃動力全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,202306