清净性是车用汽油使用过程中减轻或防止发动机燃油管路、进气系统、燃烧室产生沉积物和保持发动机清洁的一种性能，也是反映车用汽油在使用过程中生成积炭倾向的一种重要环保属性^[1]。近年来，随着城镇化进程的持续推进，我国汽车保有量快速增加^[2]。据统计，2021年我国汽车保有量为3.02亿辆，位居世界第一^[3]。巨大的汽车保有量给居民生活带来便利的同时，也给能源安全和环境质量带来巨大压力。例如，2020年全国汽车4项污染物排放总量为1 486.3万t，其中汽油车是一氧化碳(CO)、碳氢化合物(HC)的主要贡献者，分别占汽车排放总量的80.9%和77.6%^[4]。尾气污染物是汽油在发动机内不完全燃烧的产物，提高油品质量可以从源头上控制汽车污染物排放^[5-6]。

与提高炼油工艺水平相比，使用清净剂是提高汽油品质的一种经济、有效措施^[7-8]。研究表明，在汽油中加入合格的汽油清净剂能够清洗发动机积炭、保持发动机性能，从而达到提高燃油经济性、降低汽车污染物排放的效果^[9-11]。如朱仁成等^[12]对10种市售清净剂的节能减排效果进行了评价，发现受试汽车添加性能良好的清净剂并行驶1.2×10⁴ km后，发动机进气阀上的沉积物质量减少了6.8%；清除缸内沉积物后，受试汽车尾气HC、CO和氮氧化物（NO_x）排放量分别下降14.3%、13.6%和16.7%，燃油经济性提高了3.5%。Jin等^[13]对14种汽油清净剂进行了试验测试，结果显示合格的清净剂不仅能够减少汽车实际道路行驶工况下常规气态污染物排放，还可以有效降低挥发性有机化合物（VOCs）排放，其中烷烃、烯烃、芳香烃和卤代烃排放量分别降低了79.4%、66.3%、81.7%和43.7%。Yue等^[14]基于6辆轻型汽车考察了发动机积炭清除前后污染物排放变化情况，发现清除积炭后热运行工况下HC和CO排放量分别降低了29.4%和35.5%，冷启动工况下CO排放量降低了23.0%。也有研究表明，在不同牌号汽油中加入清净剂后，沉积物生成量、燃油消耗量和尾气污染物排放量均有明显降低^[15]。

为保证汽油清净性，北京市多年来一直强制要求在车用汽油中加入合格的清净剂，但我国其他大部分省（区、市）并未颁布相关法律法规，其中主要原因是尚未形成一套适用于汽油清净性监管的快速检测方法^[16]。如果汽油使用清净剂时以次充好、以少代多，不仅达不到节能减排效果，反而会加重汽车燃油系统积炭结垢现象，进而增加燃油消耗和污染物排放，甚至缩短一些汽车零部件的使用寿命^[17]。da Silva等^[18]利用红外光谱和多元分类方法实现对汽油中有无清净剂的检测，而Rodrigues等^[19]利用环炉和近红外高光谱成像法测定汽油中是否存在清净剂，但这些方法仅能够判定汽油中是否添加了清净剂，无法定量判定汽油清净性及是否达到标准要求。因此，为便于汽油清净性评价和监管，亟待开发一种便携式汽油清净性快速检测技术及检测方案。

1.   国内外汽油清净性检测方法

GB/T 19230—2003《评价汽油清净剂使用效果的试验方法》规定了清净剂对汽油进气阀和燃烧室沉积物生成倾向的2种发动机台架评价方法，包括Ford 2.3 L法和M111法。其中，Ford 2.3 L法参考了美国材料与试验协会（ASTM）制定的ASTM D6201方法（standard test method for dynamometer evaluation of unleaded spark-ignition engine fuel for intake valve deposit formation），采用的是福特于1994年设计生产的2.3 L直列四缸轻型卡车发动机，且每缸2个阀门^[20]。ASTM D6201是美国进行汽油清净性检测的主要方法，后被中石油兰州润滑油研究院引入国内。Ford 2.3 L法规定1次完整的循环时间为13 min，包含2种工况且二者之间有30 s的过渡时间；通过多次重复循环后基于发动机进气阀与燃烧室沉积物增重来评价受试汽油清净性^[21]。一次完整的Ford 2.3 L试验过程需要发动机持续运转100 h，约消耗燃油950 L，消耗大量的人力物力，且试验过程中发动机运转同样会造成一定的污染物排放。

M111法为运输用燃料、润滑油及其他流体性能测试开发欧洲协调委员会（简称协调委员会）开发的汽油发动机进气阀沉积物测试方法，即CEC F-20-98（deposit forming tendency on intake valves）^[22]。该方法由德国奔驰汽车公司开发，在欧洲使用多年后被中国环境科学研究院和中石化石油化工科学院引入国内。该方法采用戴姆勒-克莱斯勒生产的四缸四程、每缸四阀，配备电控点火和汽油喷射系统，排量为2.0 L的M111发动机，具体试验设备如图1(a)所示。试验前需按规程清洗有关零部件并进行系统检查，然后按规定的试验工况进行发动机循环试验，完成800个循环；试验后利用专用工具收集进气阀和燃烧室上沉积物，并于16 h内完成沉积物的评价工作^[23]。该方法为我国仲裁评定方法，与实际道路试验结果相关性较好^[24]。但其费用昂贵，每个试验约需10万元，检测周期长，约为1周。除M111法外，协调委员会还开发了M102法，即汽油发动机进气阀沉积物测试方法CEC F-05-93（inlet valve cleanliness in the MB M 102 E engine）^[25]，采用奔驰公司直列四缸发动机，持续运行约60 h，大约消耗燃油220 L。目前国内没有引进M102法。

图  1  汽油清净性检测装置

Figure  1.  Detection device of gasoline detergency

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GB/T 37322—2019《汽油清净性评价 汽油机进气阀沉积物模拟试验法》规定了一种汽油机进气阀沉积物模拟试验方法（简称快速模拟检测法）。具体试验过程：首先，用容量瓶取300 mL待检油样倒入盛样杯中，并用1 mL微量进样器抽取适量的助剂加入待检油样中；然后，在通风橱内，试验汽油与恒压、恒流的空气一起由喷嘴喷向一个已称重并加热到特定试验温度的铝制沉积物收集器上，在收集器表面形成油膜并不断地加热、烘烤，经过一段时间，收集器表面逐步形成沉积物^[26]；最后，通过称重试验前后的沉积板，确定沉积物增加量，并与发动机台架试验结果作参照，衡量汽油清净性。快速模拟检测法的沉积板增重和M111法有着较好的相关性，并且沉积物在沉积板上形态也能反映出与汽油清净性相关的信息。快速模拟检测法每次试验约需0.5万元，检测时长约为1.5 h，其装置如图1(b)所示。

Ford 2.3 L法和M111法均为国家标准中推荐的汽油清净性评价方法，能够较为真实地反映汽油进气阀和燃烧室内沉积物生成潜势，但试验费用较高，检测周期较长，难以满足对加油站大量样品的日常监管需求。相比Ford 2.3 L法和M111法，快速模拟检测法虽然能够大大降低用油量、时间、测试成本，但每次只能检测1个油样且需要配备高精度的称量天平，给其作为车载设备大范围开展汽油清净性监管工作带来很大挑战。在大量市售汽油清净性抽检工作和实验室模拟测试基础上，笔者提出了一种效率高、用油少、成本低的车载移动式多通道汽油清净性快速模拟检测方法（简称多通道快速模拟检测法），其性能与现有国家标准推荐测试方法进行对比，结果如表1所示。

表  1  车用汽油清净性检测方法对比

Table  1.  Comparison of vehicle gasoline detergency detection method

方法来源	检测方法	总耗时	用油 量/L	测试成本/ 万元
GB/T 19230.5—2003	Ford 2.3 L	2周	950	30
GB/T 19230.6—2003	M111	1周	>300	10
GB/T 37322—2019	快速模拟检测法	1.5 h	0.3	0.5
本研究	多通道快速模拟 检测法	20 min	0.06	0.05

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2.   多通道快速模拟检测法及其与快速模拟检测法相关性

2.1   快速模拟检测法沉积物图像特征

为降低测试成本，通常采用快速模拟检测法对汽油清净性进行评价。实践经验表明，采用快速模拟检测法测试汽油清净性的沉积物板上图像特征和沉积物增重有较强相关性。如田高友等^[6]通过沉积物形态特征来区分新鲜汽油和长期存放汽油以及不同类型清净剂的主剂。岳欣^[16]则认为只要清净剂主剂质量好且添加剂量充分，沉积板上沉积物的量就会很少，与清净剂种类没有直接关系。未按规定添加清净剂或主剂质量不佳时，沉积板中央位置会形成“唇印”状沉积物，而添加质量合格的清净剂时沉积物形态会扩散。沉积板上的沉积物形状特征有以下几类：1）图像扩散明显〔图2(a)〕，用正庚烷浸泡后，无残余物或残余物较少；2）图像有一定的扩散〔图2(b)〕，用正庚烷浸泡后，仍有一定的残余物；3）图像无明显扩散〔图2(c)〕，用正庚烷浸泡后，残余物较多。

图  2  汽油沉积物图像特征

Figure  2.  Image features of gasoline deposits

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大量试验证明，清净剂能够影响沉积物的形态特征，如果汽油中加入了足量的汽油清净剂或者汽油本身清净性好，则沉积板上的图形是扩散的，结果也是合格的；如果汽油中未加入足量的汽油清净剂或者汽油本身清净性一般，则沉积板上的图形扩散不明显，结果可能不合格；如果汽油中未加入汽油清净剂或者汽油本身清净性差，则沉积板上的图形是不扩散的，结果一般不合格。上述图形特征在测试前几分钟就能完全表现出来，且保持不变。因此，为提高检测效率，可使用汽油清净性快速模拟检测所得图形结果作为汽油清净性检测结果筛查依据。对图形特征明显的油品做出直接判定，而仅对少数难以判定的样品再进行M111试验复核，既提高了检测效率，也能较好地保证检测质量。

2.2   多通道快速模拟检测法

2011—2018年，为配合政府监管部门更好地完成北京市市售汽油清净性状况监管，中国环境科学研究院试制的多通道快速模拟检测法设备如图3所示，并开展了大量实测检验。该设备可在采样现场、约20 min内对采样汽油的清净性作出定性判断，为大范围汽油清净性监管提供了保障，且大幅度降低了试验费用。

图  3  多通道快速模拟检测设备及技术原理

Figure  3.  Multi-channel rapid simulation test equipment and the technical schematic diagram

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多通道快速模拟检测设备主要由汽车、发电机、压缩机及HK-3型汽油清净性检测仪等组成（图3），可同时测试3个油样^[27]。具体测试方法如下：首先，检测前先将沉积板进行抛光打磨至光洁无污，固定于检测罩内与加热设备夹紧，并将沉积板加热至180~190 ℃；其次，将压缩空气减压到0.12 MPa，流量控制在700 L/h，给3个喷嘴供气，同时计量泵以4 mL/min速度均匀为3个喷嘴供油，油气在喷嘴内充分混合后喷向达到试验温度的沉积板上；然后，在控制单元控制下持续喷油10 min，后加热至215~220 ℃烘烤5 min，使收集器表面氧化形成漆膜，并在冷却后取下收集器；最后，基于沉积板增加重量或图形特征，判断汽油样品的清净程度是否合格。与快速模拟检测法相比，应用多通道快速模拟检测法可使单个样品制作检测总耗时降低77.8%，多个样品制作检测总耗时降低94.4%，耗油量减少约80%，成本降低约90%。

2.3   多通道快速模拟检测法与快速模拟检测法相关性

多通道快速模拟检测法已在实际汽油清净性抽检工作中应用多年，对检测结果的感性认识能够较好地评价受试汽油的清净性水平。为定量评价多通道快速模拟检测法与快速模拟检测法结果的相关性，共收集了75份北京市实际加油站的典型市售汽油样品，分别进行了多通道快速模拟检测法与快速模拟检测法检测，随机抽取其中第28、48、68号样品对比检测，结果如图4所示。

图  4  沉积物图像

Figure  4.  Deposit images

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本研究采用python中Numpy科学计算库对多通道快速模拟检测法与快速模拟检测法的沉积物图像特征做相关性分析。当2组数据成对出现且各组数据之间相互独立时，可以使用皮尔逊积矩阵相关系数（Pearson product-moment correlation coefficient, PCCs）度量2组数据之间的相关性，该系数称作皮尔逊相关系数(r)^[28]。r介于−1~1，若r>0表示2组数据呈正相关，反之则为负相关。本研究中2种检测方法所得沉积板图像呈正相关，故r>0，其相关强度可基于表2中取值范围进行判断。

表  2  皮尔逊相关系数（r）取值与相关强度

Table  2.  Pearson correlation coefficient values and correlation strengths

0.8~1.0	0.6~0.8	0.4~0.6	0.2~0.4	0~0.2
极强相关	强相关	中等程度相关	弱相关	弱相关或无相关

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2个变量之间的r定义为2个变量之间的协方差和标准差的商，具体计算公式如下：

式中：$ \mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{v}(X,Y) $为2组数据的总体协方差；${\sigma }_{Y} $为数据的标准差；$ {X}_{i}、{Y}_{i} $分别为2组数据中第$ i $个数；$ \overline{X}、\overline{Y} $则分别为2组数据的均值。

运算中整体以矩阵形式运算，相关系数矩阵$ \boldsymbol{R} $与协方差矩阵$ \boldsymbol{C} $之间的关系如下：

式中：R_ij与C_ij分别为相关系数矩阵与协方差矩阵中第$ i $行$ j $列的数值；C_ii与C_jj则分别为协方差矩阵中第$ i $行$ i $列与第$ j $行$ j $列的数值。

为提高精确度与可信度，计算同一油样分别采用快速模拟检测法和多通道快速模拟检测法得到的沉积板图像r时，需要按照以下流程对图像进行预处理：1）将所有拍摄的图像背景擦除，只保留沉积板图像区域；2）将擦除背景后的图像大小统一调整为300 px×300 px；3）读取图像信息将图像信息转化为由像素值组成的300×300矩阵；4）将像素值组成的300×300矩阵按行优先顺序打平成1×90 000一维数组。预处理后，将得到2个一维数组输入程序自动计算其r，计算后r被保存至1个2×2的系数矩阵中，其中第1行、第2列元素即为2种方法所得沉积物图像的r。

将75组油样图像分别存于本地不同根目录下，使用python自动获取图像列表，经图像匹配、预处理、相关性分析后，用Excel软件导出分析报告，其r统计结果如图5所示。由图5可知，绝大多数样本r集中在0.4~0.8，其均值为0.48±0.17，有87%的样品表现出中等及以上相关性。总体而言，使用多通道快速模拟检测法可以很好地对汽油清净性作出判断，且此方法评价结果与快速模拟检测法具有较好的相关性，但实际应用中若使用称重法评估仍需进一步确定多通道快速模拟检测法的限值。

图  5  分别基于多通道快速模拟检测法与快速模拟检测法所得75组沉积板样品相关系数统计

Figure  5.  Correlation coefficient statistics of 75 sets of deposit plate sample plot detected by MCRSD and RSD methods

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第46、47号样品使用快速模拟检测法得到沉积板在使用正庚烷溶剂清洗后沉积物较少，所以运算后得出的相关性较弱，有可能是在沉积板在制作过程中人为操作不当导致。具体比较第46、47号样品发现沉积板表面光洁度不一样，这2组样品的相关性差异可能由于沉积板打磨不一致造成。因此，在试验前应做好沉积物收集器的准备工作，即先将沉积板用水砂纸蘸水打磨后使用百洁布蘸水和清洗剂沿着板面的长度方向打磨，直到板面光亮无污，再用新的百洁布沿着板面长度方向在流动水中打磨并洗干净，保证工作面光洁度一致。

根据多通道快速模拟检测法以及实际检测经验，给出具体检测方案：1）测试前严格按照操作流程准备沉积板，保证光洁度符合要求；2）在环保工作人员的监督下到加油站抽取1 L待检汽油样品（小样）；3）采用多通道快速模拟检测法对汽油样品进行现场快速模拟检测；4）如现场模拟检测结果判断不合格，则立刻在同一加油枪再抽取350 L汽油样品（大样），并从中取出60 mL汽油样品，再进行一次多通道快速模拟检测；5）对2次现场快速模拟检测结果进行比对，如结果差异较大，则应将样品带回实验室检测；6）样品回到实验室后，先对抽取的汽油小样及大样进行快速模拟检测，若同样判定大样不合格，再对其进行M111发动机台架试验检测；7）出具实验室检测报告。

3.   结论

（1）多通道快速模拟检测法可以用来检测汽油清净性或评价汽油清净剂效果，与快速模拟检测法相比，其对单个油样检测总耗时降低77.8%，对多个油样检测总耗时降低94.4%，耗油量减少约80%，成本降低约90%，极大提升了监管部门对市售汽油清净性的检测效率。

（2）多通道快速模拟检测法与快速模拟检测法有着较好的相关性，对75个样品分别使用2种不同方法进行检测，最终样本皮尔逊相关系数为0.48±0.17。