对于油料的爆震极限评级标准的变化1

早在内燃机刚刚起步的年代，人们就知道油料会在一些特定情况下对发动机产生爆震效果，也就是人们现在俗称的敲缸，当时自然是没有对于爆震的一个标准评级系统，也就是说发动机制造商除了靠耳朵听以外，没有任何可以检测发动机爆震的方法，所以他们也不乐于去更改引擎的压缩比和增压器，这也导致他们只能对燃料精炼厂的人施压，要求他们只能给发动机提供同一种燃料，油料的品质不能有任何变化。

 

之后在1921年的美国，合作燃料研究委员会（Cooperative Fuel Research Committee）诞生了，他们要求由Waukesha公司设计制造一款作为标准的测试发动机，让所有委员会乘员用这台标准发动机来测试燃料，由此构成一个油料品质的通用评级标准，1928年，第一台“CFR”测试发动机产生了，对，我们常见的“CFR”就是Cooperative Fuels Research的意思。

 

第一台CFR的运行方式是整个汽缸盖都相对于活塞顶进行上下移动，这台引擎的首席设计师是Arthur-W-Pope，在制造出来的之后几年里进行了大量生产，被运往了世界各地，成为了真正的油料系统评级标准。

之后也发明了一种新的爆震检测仪器，叫做“跳针式爆震仪”，这是一根金属针，或者说是一根金属棒，原理更是十分简单，它被固定在一个比较松的滑轨上，下端紧贴着发动机的气缸，如果发动机只是正常地燃烧的话，它只会在一定幅度内振动，一但发生爆震，这根金属棒就会剧烈地被往上一推，强烈地反弹，根据这个特性这根滑轨的另一头会有不同的测量标注装置，有电磁的也有用千分尺的，总之各不相同，以此来将发动机的爆震强度数字化。

跳针一直沿用到了第二次世界大战之后，我们耳熟能详的的几乎所有的二战引擎都离不开这根跳针的存在。

之后在英国，一位叫Henry Tizard的科学家基于当时已经发现的甲苯Toluene极其出色的抗爆震性能，提议以甲苯为参考的基准，构建出一个数字化的抗爆震等级标准，但是这个建议不知为何没有被广泛接受，更奇怪的是在大概5年前，国际汽车工程师学会Society of Automotive Engineers又出版了一份论文：

 

“基于延迟点火的简单模型进行爆震预测”SAE 2016-01-0702

 

这份论文又提出使用甲苯作为新的抗爆震等级标准取代现行的标准，这已经比Tizard的研究晚了接近100年了。

 

由于忽视了英国人Tizard的这个研究，上世纪20年代人们选择Iso-Octane，也就是异辛烷，2,2,4-三甲基戊烷作为标准，当时的异辛烷只是实验室中的产品，也没人会预料到异辛烷的抗爆震性能会被超越（尽管现在看来当时甲苯就已经超越了），在这种标准下，如果一种燃料和异辛烷在CFR发动机中同时开始产生爆震，那么这种燃料就会被成为100 octane，也就是100辛烷值，这个标准等级中的0是由庚烷Heptane决定的，因为当时人们发现使用庚烷的发动机无论如何都会发生爆震，于是和庚烷有同样抗爆震性能的燃料就被成为0辛烷值。

 

我们来举个例子，假设一种燃料在CFR发动机中测量出来的抗爆震性能相当于87%的异辛烷和13%的庚烷的混合物，那这种燃料的辛烷值就是87。

 

因此，如果一种燃料的辛烷值介于100-0之间，那么就代表这种燃料实际上是被校准为了一种异辛烷和庚烷的混合物，所以这种评级方法的数字严格意义上来说并不是一个线性的数字标尺，因为不同的混合物实际上不会按照比例生成完全对应的抗爆震性能数值变化，不过有这个总比没有好。

 

当然，辛烷值评级法的缺点很早就暴露出来了，1938年4月，美国NACA的兰利实验室Biermann在记录NACA Technical Note中写道：

 

“…这些数据表明，对于任何一种燃料，在不同的压缩比下，进气温度和密度都存在一个限制条件。这种条件同样也取决于混合气的温度和密度，从而导致了发动机的爆震……显然，飞机发动机的燃料不能通过任何单一的因素，比如辛烷值、最高压缩比或者进气压力来进行一个全面的性能评级。

 

燃料的性能应该用一条曲线来评定。”

 

仅仅一年之后，1939年8月，柏林的德国航空研究所的燃料专家Fritz Seeber发表了一篇文章，他认同了Biermannn的发现，并且提出了一个新的解决方案，并在一个新的单缸测试发动机上进行了测试，新的方法被称为“DVL增压法”（DVL即德国航空研究所）：

 

“在CFR发动机中使用辛烷值对航空发动机的燃料进行抗爆震性能评级是有缺陷的，而且更不如说这个前提就存在错误……新的增压法测试可以以图表的形式描述燃料的抗爆震的性能。”

Neue Verfahren der Kraftstuffprüfung

 

这台新的德国测试发动机没有做出很大的修改，只是增加了增压压力和温度的测算，最关键的地方在于Seeber绘制了过量空气系数从0.7到1.3的坐标轴，由此，他构建了一个评价燃料抗爆震性能的三维视图，展示了测试发动机最大的BMEP平均有效压力和过量空气系数以及进气温度的关系，这是非常先进的。

Seeber的研究发布后很明显引起了所有人的兴趣，NACA很快就翻译引进到了美国国内，但直到1942年这个方法才正式在全美推广，在这个方面英国人更快一步，结果导致到了不列颠空战时期英国人从美国进口的大量100辛烷值燃料都是不合格的，因为美国人的测试还是老方法，根本就没有统一这些燃料在富油状态下的抗爆震性能。

所以在第二次世界大战期间，辛烷值的评级系统基本上已经被放弃了，对于爆震极限的测试也改变了，Seeber的DVL测试法建议使用一线发动机的单缸版本进行测试，而不是使用CFR通用测试发动机，比如Bf-109的DB-601发动机，单缸版本就被命名为DB-6001，而为了测试燃料在Bf-109发动机中的爆震情况，使用的测试发动机就是DB-6001。

至于为什么辛烷值评级系统到今天还在使用，主要是因为当今活塞发动机不至于天天在爆震极限的边缘运行，而二战的发动机必须精确地测试出爆震性能，使得一线的战斗机能够输出尽可能大的马力。