熟悉而陌生的辛烷值

前些天有一個朋友問我：「辛烷值是什麼？」 開車一族對汽油的標號大概不陌生，不過在我不開車的朋友們里能準確理解這個概念的人意外地少，很多人都會誤以為是指汽油中含辛烷的比例，其實不然。

要說辛烷值就要從」爆震」這個概念說起。發動機設計者們為這個現象困擾了一個世紀，並且目前還在困擾中。在汽油發動機[1]里，當燃料和空氣的混合氣進入氣缸後，會先被壓縮[2]到一定比例，然後火花塞再點火。理想情況下，火焰會從火花塞開始擴散到整個氣缸中。但有時候，一部分燃料會在火焰還沒傳播到[3]的時候就自發燃燒。這種自燃產生的衝擊波會和正常的衝擊波疊加，產生高頻振動，降低輸出功率並逐漸損壞氣缸。由於這種現象會讓氣缸產生一種敲擊聲，因此它還有一個聽起來沒那麼可怕的名字叫「敲缸」（knock）。

接下來工程師們就要尋找原因和避免爆震的方法。影響爆震的因素很多，包括燃油種類、引擎設計、運行狀態、點火時機等等。點火那一刻壓縮得越厲害，引擎效率越高，但是爆震也會越嚴重。為了適應壓縮比更高的引擎，就需要抗爆震性更好的燃料。如何排除引擎的因素，只測量燃料的抗爆震性呢？1926年，在乙基石油公司[4]工作的化學家Russell Earl Marker[5]提出了一種方案：製作一批標準燃料，然後將待測燃料的抗爆震性能和標準燃料去比。他選取了一種抗爆震性比較強的物質異辛烷（學名叫2,2,4-三甲基戊烷），將它的抗爆震性定義成100；又選取了一種抗爆震性比較弱的物質正庚烷，將它的抗爆震性定義成0。標準燃料就是這兩種物質按比例的混合物，比如80%異辛烷20%正庚烷混合液的抗爆性就定義為80。

關於具體的測量步驟，我只找到了美國材料和試驗協會發布的兩份測試方法D2699和D2700。文件詳細而冗長，真是一點都不好看。測試中最重要的是一件測量爆震指數的儀器，目前只有一個公司在生產，這種儀器能夠測量壓強在高頻部分的總強度，但是具體的測量原理並不在文件範圍之內。首先把要測量的汽油扔到固定轉速的單缸引擎里燒一燒，讀出其爆震指數，然後再把不同濃度的標準混合燃料扔到同樣運行狀態的引擎里燒一燒，找到爆震指數最接近的兩種標準燃料。最後用線性插值計算出要測量的汽油的辛烷值。當汽油的抗爆震性高於異辛烷時，會使用異辛烷和四乙基鉛的混合物作為標準燃料，這樣可以得到高於100的辛烷值。

兩份文件分別對應研究法和馬達法，兩種方法的主要區別是對引擎的運行參數設置有不同。研究法中引擎轉速是600轉，而馬達法中引擎轉速是900轉。雖然對於絕大多數汽油來說馬達法的標號都比研究法低5-10，不過這並不是因為馬達法比研究法嚴格——事實上，標準燃料異辛烷在兩種方法下都是100的辛烷值，還有少數幾種燃料在馬達法下的辛烷值比研究法還高。街上掛的汽油標號各國不同，它們或是取了兩種設定方法之一來定標，或是使用兩種方法的平均值來定。

最後一提，辛烷值更高的汽油允許引擎有更高的壓縮比，因此也就會有更高的熱效率。換言之，提高燃油標準能夠允許汽車廠商生產更省油的引擎。但是對於司機來說，引擎是不變的，因此只要辛烷值滿足不爆震的水平就沒必要加更高標號的油。

雪厚懶行車

看汽油標號怎來

並沒有辛烷

Lagniappe——一些本文相關的其他小知識

[1] 柴油發動機的運轉原理與汽油發動機有所不同。順帶一提，柴油在英語里叫做diesel，來源於柴油發動機的發明者。

[2] 目前大多數汽油發動機的基本機理都是熱力學中的奧托循環。一個循環可以分為進氣、壓縮、點火、排氣四個步驟（所謂「衝程」）。想要詳細了解的朋友可以搜索奧托循環或四衝程發動機。

[3] 最近幾年工程師們發現了一種新的叫做「超級爆震」的現象，指的是壓縮過程中，火花塞點火前就燃燒。有興趣的讀者可以關注一下相關研究。

[4] 這個乙基石油公司的「乙基」指的就是臭名昭著的四乙基鉛。這個公司是當時持有含鉛汽油專利的通用汽車和持有四乙基鉛製備專利的標準石油共同成立的。因為鉛聽起來就很有毒，因此只以乙基稱之。

[5] Russell Earl Marker的另外一項重要成就是發明了一種新的激素製備工藝。稍微標題黨一點的說法是用墨西哥紅薯為主要原料製備口服避孕藥的工藝，不過這種描述極其不準確，有興趣的讀者還是去搜索一下Marker degradation吧。

PS：

這期更新緩慢，首先要把鍋甩在該死的兩份測試方法文件上，實在太難以閱讀了；其次是因為我跑去看博物館啦，本文的配圖靈感正是來源於現代藝術博物館MoMA的陳列品——Edward Hopper的<Gas>；最後就是我懶惰了……所以這期Lagniappe就直接發了不拆了吧~

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