車用乙醇汽油抗爆指數與敏感性研究

王家興 張會成 張雁玲

摘 ? ? ?要：采用車用乙醇汽油樣品作為試樣，根據GB/T 5487-2015和GB/T 503-2016方法要求測試其研究法辛烷值RON和馬達法辛烷值MON。考察RON與MON關系，進而給出研究法辛烷值與汽油敏感性之間的關系，通過多項式擬合，使得馬達法辛烷值的預測水平較高，同時預測馬達法辛烷值在標準燃料配制過程中所產生的經濟效益進行詳細闡述。馬達法辛烷值的預測結果表明：針對某一汽油樣品時，馬達法辛烷值預測值與實測值偏差為0.5個單位。

關 ?鍵 ?詞：汽油;馬達法辛烷值;敏感性;多項式擬合

中圖分類號：TB99 ? ? ? 文獻標識碼： A ? ? ? 文章編號： 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

隨著汽柴油質量升級的迫切要求，排放法規日益完善，車用乙醇汽油的質量指標控制更為嚴格。抗爆震指數能夠反映出車輛一般運行條件下的平均抗爆性能。馬達法辛烷值或研究法辛烷值[1]都不能全面反映車輛運行時的抗爆性能。通過總結車用乙醇汽油抗暴指數的數據，能夠整理出不同樣品的汽油敏感性指標。從而，根據馬達法辛烷值可預測其研究法辛烷值，反之亦然。在發動機臺架評定開始前，就可以有針對性的混合標準燃料，從而有效地提高臺架評定工作效率，對減少評定時間起到積極作用。

近年來，隨著大批汽油產品檢測分析的工作開展，車用乙醇汽油產品標準[2]中的指標要求更為嚴格，必須高效地開展評定工作，通過總結規律，采用樣品敏感性來預測，一定程度上能夠減少臺架評定的時間，從而降低成本。

本文對92號、95號車用乙醇汽油的敏感性進行了試驗研究，采用多項式擬合方法預測某汽油樣品的馬達法辛烷值[3]，預測的精度較高，給出了多個車用乙醇汽油敏感性，并繪制敏感性曲線。

1 ?多項式回歸理論

在實際問題中，兩個變量的內在關系往往是非線性的，并不是所有問題都能通過變量變換化曲線為直線的方法解決。任何函數至少在一個比較小的鄰域內可以用多項式逼近。

（1）確定多項式的表達形式，精度保證在誤差范圍內，而K值選的盡可能小一些。

（2）求出多元線性回歸模型的回歸系數，通過變量變換求解正規方程。

（3）回歸方程效果檢驗。

汽油的研究法辛烷值與馬達法辛烷值的多組試驗數據構成多項式回歸模型。本文就是利用研究法辛烷值預測92號、95號車用乙醇汽油馬達法辛烷值，根據預測結果決定所采用的標準燃料辛烷值，為得到燃料的實際馬達法辛烷值提供參考[4]。

2 ?預測汽油馬達法辛烷值的多項式回歸模型

測定多個汽油樣品的研究法辛烷值和馬達法辛烷值，得到測量值如下。

10個汽油樣品的辛烷值測量數字序列為：（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）。

不同的汽油種類，其敏感性有差異。通過測量多個樣品，整理實驗數據得到如圖1所示的研究法辛烷值RON與馬達法辛烷值MON的映射關系曲線。根據圖1，繪制不同汽油的敏感性曲線如圖2所示。

3 ?汽油敏感性

在日常試驗中，通常使用抗爆指數來評價汽油的抗爆震性，抗爆指數能夠更為真實地反映行車過程中汽油抗爆震特性[5]。操作人員使用研究法辛烷值機評定汽油的研究辛烷值，簡稱為RON，使用馬達法辛烷值機評定汽油的馬達法辛烷值，簡稱為MON。使用上述兩臺儀器分別評定，導致總的評定時間很長，分析測試效率不高，標準樣品配置量較多，設備的總運行時間較長，從而導致設備的運行成本較高。通過總結實驗數據，能夠發現RON與MON之間存在一定規律。通過建立兩者之間的數學模型，基于一定的擬合方法，可實現MON的預測。因此，通過研究法辛烷值能夠初步預測一個估計的MON值，根據預測值，操作人員可以更加有效地配制標準樣品，較少分析評定的時間，同時也可以節省標準樣品的消耗。根據實測值，可以反映出預測MON的水平。對于同一類性質的汽油樣品，可以使用相同的擬合方法，但對于不同性質的汽油，其敏感性可能存在較大差異，導致不能使用一種擬合方法預測馬達法辛烷值[6]。

4 ?汽油馬達法辛烷值的多項式擬合

根據圖1中的一組觀察值，為非線性關系，由多項式回歸理論，可采用一個K次多項式進行擬合。以一組觀察值中的研究法辛烷值為自變量x，馬達法辛烷值為因變量y。按照多項式回歸的步驟進行，得到如下的擬合多項式，見圖3。

圖3中，散點為實測的研究法辛烷值-敏感性序列，曲線為擬合后的多項式曲線。從圖中可知，擬合曲線基本上與實測值的變化趨勢相吻合。通過對第11個編號為FY001汽油樣品進行研究法辛烷值的評定，經試驗得到其研究法辛烷值為94.7。通過將測試的第11個樣品研究法辛烷值來驗證擬合曲線的擬合程度[7]。帶入數學模型得到對應的敏感性數值為11.0，從而預測的馬達法辛烷值為83.7。

馬達法評定試驗結果表明，第11個汽油樣品的馬達法辛烷值為84.2，實際敏感性為10.5。預測的馬達法辛烷值略低于實際測量值0.5個單位。

5 ?預測馬達法辛烷值產生的經濟效益

在未使用預測模型對汽油馬達法辛烷值進行預測時，操作人員需要分別測定汽油樣品的馬達法辛烷值和研究法辛烷值。兩臺設備運行時，需要分別配制對應的標準樣品。測定研究法辛烷值時，根據對應標準（GB/T 5487-2015），需要配制研究法辛烷值為94.0的標準樣品共300 mL。測定馬達法辛烷值時，根據對應標準（GB/T 503-2016）需要配制辛烷值為84.0的標準樣品300 mL。因此，共需要配制標準樣品600 mL。研究法和馬達法的標準樣品配比，見表1和表2。

使用多項式擬合的方法預測馬達法辛烷值時，可根據預測值配制更少的標準樣品量，操作人員選取適宜的標準樣品辛烷值所需要的時間更短。在通常的試驗中，沒有預測模型的引入，操作人員時常需要嘗試配制2種不同辛烷值的標準樣品，因為操作人員對于試樣汽油樣品辛烷值的估計難免出現偏差，通常需要試探進行，從而找到符合要求的辛烷值，據此決定各組分的混合比例。引入多項式擬合的方法后，操作人員可直接配制與預測值的辛烷值最接近的標準樣品，省去了試探過程所需要的時間，節省了試探過程中所造成標準樣品的不必要浪費，分析評定的時間因此大大地減少。

通過臺架試驗[8]，發現使用多項式擬合的方法預測，使得同體積的馬達法辛烷值的標準樣品量可評定更多的樣品。常規試驗中，300 mL的標準樣品最多可以評定4個辛烷值與之對應的汽油樣品。使用預測馬達法辛烷值的方法，同體積的馬達法辛烷值的標準樣品量可評定最多8個樣品，平均單個樣品臺架評定試驗的標準樣品消耗量降低50%。

標準樣品依賴進口，價格不低，暫且按照每升100元計算，假設每年臺架評定試驗室消耗標準樣品200 L，那么消耗標準樣品所產生的費用高達2萬元。通過采用多項式擬合來預測車用乙醇汽油的馬達法辛烷值，可節省大約50%的標準樣品，從而每年可以節省標準樣品材料費用1萬元，為試驗室帶來更大的經濟效益，同時臺架實驗室分析評定的效率進一步提高。

6 ?車用乙醇汽油抗爆指數與敏感性

整理上述10個汽油樣品的辛烷值測量數字序列[9]，計算出每個樣品的抗爆指數，再建立抗爆指數與敏感性數字序列：

（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）。

從以上數字序列中，不同編號的2個汽油的抗爆指數相同時，其敏感性可能不同，敏感性越大時，表明對應汽油的研究法辛烷值與馬達法辛烷值差值越大。多個汽油樣品可能存在敏感性相同的情況， 而其抗爆指數存在一定差異，敏感性與抗爆指數之間不是簡單的線性關系[10]。

7 ?汽油敏感性的平均值

總結以上10個汽油樣品的抗爆指數以及敏感性數據，計算得到汽油樣品平均敏感性數值，平均敏感性用S表示，S=10.2。通過汽油敏感性的平均值也可以實現馬達法辛烷值的預測，相比多項式回歸預測馬達法辛烷值更為簡化[11]。可以作為一種預測馬達法辛烷值的近似估計。

在測得研究法辛烷值后，根據平均汽油敏感性數值近似計算出馬達法辛烷值。根據10個數字序列，得到平均敏感性與單個樣品敏感性的最大差值0.6。根據平均汽油敏感性數值[12-13]，計算馬達法辛烷值的結果如下數字序列：

（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）。

從以上序列可知，研究法辛烷值不變，馬達法辛烷值根據平均汽油敏感性計算得到。研究法辛烷值與平均汽油敏感性計算得到的馬達法辛烷值，其對應關系如圖5所示。

8 ?馬達法辛烷值預測結果與實測值比較

將10個汽油樣品的馬達法辛烷值，通過評定機逐個檢測，得到其馬達法辛烷值實測結果。根據多項式回歸模型，統計10個汽油樣品的預測馬達法辛烷值。將2組數據分別繪制如下，見圖6。

9 ?結束語

本文根據多項式擬合的方法對車用乙醇汽油研究法辛烷值與其敏感性進行了研究，并繪制了關系曲線。針對一組測量樣品，將其馬達法辛烷值實測值與多項式擬合預測的馬達法辛烷值進行比較，對擬合曲線進行了驗證。

通過研究汽油的敏感性與研究法辛烷值關系，使得發動機臺架評定試驗時，能有針對性的混合標準燃料，從而有效地提高臺架評定工作效率，對減少評定時間起到積極作用。可大量地減少標準樣品的消耗量，降低臺架試驗室的設備運行成本。

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