不同汽油品质对发动机性能影响的研究

蒋昌林，卢银

（上汽通用五菱汽车股份有限公司，广西柳州545007）

不同汽油品质对发动机性能影响的研究

蒋昌林，卢银

（上汽通用五菱汽车股份有限公司，广西柳州545007）

在同一型号、批次的发动机上，加注不同牌号的汽油进行发动机台架试验，从汽油发动机的燃烧机理上进行分析，对比发动机的性能输出表现，评估汽油油品对发动机主要性能的影响，得出牌号越高性能越好的结论，为企业在进军海外市场时，在匹配发动机的动力性、经济性和排放物后处理方面提供理论数据和指导方向。

汽油品质；发动机性能；匹配

发动机作为传统汽车的核心部件，是车辆驱动力和电力的唯一来源，相当于汽车的心脏。常见的车用发动机，根据所使用的燃料主要分为汽油机和柴油机，两者都属于往复活塞式内燃机，能将燃料的化学能转化为机械能通过曲轴对外输出动力。由于石油储量的不断减少和排放法规的日趋严格，各大汽车厂家纷纷研发出了涡轮增压、缸内直喷、可变气门正时、排气再循环等先进的技术来优化发动机的燃烧控制。但一般情况下，车企出于成本和周期的考虑，会选择直接输出国内成熟的技术，而不会选择为国外市场专门研发新的发动机，此时，燃油的品质将是影响到发动机性能的最主要因素。

目前，各国的炼油工艺和燃油法规存在着较大差异，导致各国市场上所使用的燃油品质各异，不同的燃油品质势必会使发动机有着不同表现的性能输出。因此，针对国内油品调试的发动机控制参数是不能直接沿用到国外市场的，为了让发动机在更换油品后还能维持良好的运行状态和性能输出，就需要根据新油品的理化特性来调整燃烧的控制参数。

本文主要通过对汽油机燃烧机理的分析，对比分别加注中国93#汽油和某国88#、92#汽油的发动机性能差异，研究汽油品质对发动机性能的影响，为发动机在切换新油品后匹配动力性、经济性和排放物后处理提供指导方向。

1 汽油机的燃烧机理

车用发动机一般都是四冲程发动机，四个冲程分别为进气、压缩、做功、排气。其中做功冲程是内燃机将燃料化学能转变为机械能的过程，燃烧的质量决定了发动机各方面的性能表现，所以油品的差异主要通过燃烧过程对性能产生影响。汽油机的燃烧过程一般分为三个阶段：滞燃期、急燃期和后燃期。从火花塞开始跳火到火焰中心形成的时期成为滞燃期，滞燃期是燃烧的准备阶段，主要进行热量的积累，滞燃期越短，热效率越高；从出现火焰中心到缸内压力达到最高的时期称为急燃期，在这一阶段燃料迅速燃烧，缸内压力和温度急剧上升，最高压力点出现的时刻对发动机功率和经济性有重大影响，可通过调整点火提前角来对其进行调整；从温度最高点到燃烧完全结束的时期称为后燃期，在这一阶段，由于燃烧室含氧量减少，少部分燃料未能充分氧化，燃烧室边缘和汽缸壁的燃料继续燃烧，会使燃烧速度减慢，此时燃料的缺氧燃烧会产生黑烟，造成发动机热负荷增加，热效率减小，功率下降，进而影响燃烧的经济性和排气净化度，故后燃期应尽可能缩短[1]。

2 汽油的物理化学特性

目前的车用汽油主要通过催化裂化石油来获得，是100多种烃的混合物，因此本文介绍的汽油理化特性参数均为汽油所含组分理化特性参数的平均值。

2.1 汽油的物理特性参数

与发动机性能密切相关的汽油物理特性参数包括：密度、粘度、表面张力、沸点、比热容、汽化潜热、饱和蒸气压、扩散系数、平均分子量等。密度、粘度和表面张力影响汽油雾化过程的液滴破碎和贯穿；沸点、比热容、汽化潜热、饱和蒸气压、扩散系数、平均分子量则影响汽油的蒸发过程，蒸发性强，易汽化，则燃烧速度快，燃烧完全程度高，动力经济性好。

物理特性参数与汽油组分有密切关系，汽油中芳烃含量高，则密度、分子量、粘度、表面张力和汽化潜热大，扩散系数小，沸点高，饱和蒸气压低，含碳量高，含氢量低；汽油含烷烃多，则与上述现象相反；含烯烃多则居中[2]。

2.2 汽油的化学特性参数

与发动机性能密切相关的汽油化学特性参数主要包括：辛烷值、理论混合气热值、燃料热值和硫含量等。辛烷值表征了汽油的抗爆性能，辛烷值高则着火滞燃期短；理论混合气热值与发动机的功率密度相关，相同排量下，混合气热值越高，则每循环做功越多，动力性越好；燃料热值反应了汽油的能量密度，热值越高，单位质量或体积所能提供的能量越大，汽车续航能力越强；汽油中的硫会导致发动机排气后处理系统中毒。

同物理特性一样，化学特性与组分也有密切关系，芳烃含量高，则辛烷值高，燃料质量热值低，理论空燃比小；烷烃尤其是正烷烃含量高，则辛烷值低，燃料质量热值高，理论空燃比大；烯烃仍然居中；汽油中不同烃类间的理论混合气热值则差别不大[2]。

3 辛烷值与发动机性能的相关性

国际上对汽油品质的区分主要通过辛烷值来体现，辛烷值主要成分的化学式为C8H18.辛烷值是衡量汽油抗爆性能好坏的指标，根据试验方法，辛烷值分为研究法辛烷值（RON）和马达法辛烷值（MON）。研究法辛烷值和马达法辛烷值的差值定义为燃油灵敏度Sa，一般不希望Sa值大于10.Sa取决于汽油所含烃类及其占比重，含烷烃较多，Sa值较小，在发动机改变工况时，汽油抗爆性变化不大；含芳烃、烯烃较多，Sa值较大。

本文分别采用RON为88#、91#和93#的汽油在1.5L自然吸气发动机上进行性能试验研究，总结了辛烷值对动力性、燃油经济性的影响规律，并通过燃烧放热分析对其中机理进行了分析。进行测试的发动机参数和试验汽油主要性能指标如下表1、表2所示。

表1 发动机主要参数

表2 试验汽油主要性能指标

在发动机台架试验室常温（25±4）℃，常压（10±0.1）MPa条件下，通过PC设备与发动机控制模块进行通讯连接，汽车标定开发软件INCA实时监控和记录，发动机分别加注3种牌号的汽油，调整各项相关控制参数，使发动机达到该油品条件下的最优性能。发动机运行在全负荷工况下，PC设备收集记录发动机各项性能数据，重点关注功率、扭矩、比油耗。

分别加注3种牌号汽油的发动机全负荷功率、扭矩、比油耗数据如表3所示。

表3 发动机全负荷性能参数

3.1 辛烷值对发动机动力性的影响

试验用汽油机采用不同辛烷值的汽油进行外特性试验时的扭矩和功率结果如图1和图2所示。

图1 三种牌号汽油扭矩对比

图2 三种牌号汽油功率对比

由图1可见，在所有转速下，辛烷值越高，扭矩越大；在中低转速（n=1 000～3 600 r/min）范围，随转速的升高，扭矩差值增大；转速高于n=3 600 r/min后，汽油辛烷值对扭矩的影响趋于减小。

由图2可见，在所有转速下，辛烷值越高，功率越大；在中低转速（n=1 000～3 600 r/min）范围，随转速的升高，功率差值增大；转速高于n=3 600 r/min后，汽油辛烷值对功率的影响趋于减小。这是因为，在中低转速全负荷时，辛烷值越低，由爆震反馈控制系统决定的点火时刻越晚，用88#汽油时的点火时刻相对于用93#油时最大推后6oCA，这会导致燃烧相位推后，燃烧等容度、热效率和动力性下降；随发动机转速升高，辛烷值对点火提前角的影响下降，三种汽油所对应的点火提前角接近，这使得高转速时不同辛烷值汽油的输出转矩接近。可见，燃用高标号汽油对提高中低转速动力性较为有利，在高转速时的动力性作用减弱，但仍具有可观优势。

而之所以辛烷值高的汽油整体性能表现比辛烷值低汽油的好，是因为高辛烷值赋予了汽油高抗爆性，使点火提前角早于低辛烷值汽油，从而使燃烧更加靠近上止点，提高了燃烧过程的等容度和热效率，在每循环输入缸内能量接近的情况下，热效率越高则有效输出功率越高，动力性越好[3]。

3.2 辛烷值对发动机燃油经济性的影响

试验用汽油机采用不同辛烷值的汽油进行外特性试验的比油耗结果如图3所示。

图3 三种牌号汽油比油耗对比

由比油耗数据可见，三种牌号汽油燃油消耗率曲线趋势是基本一致的，因为高辛烷值的汽油热效率高，对提高燃油经济性有利，所以辛烷值高的汽油燃油经济性要好于辛烷值低的汽油。

4 油品参数综合讨论及优化

在汽油机的做功过程中，混合气的好坏决定了燃烧的质量，燃烧的质量决定了发动机的输出性能，品质高的汽油可以加速燃烧、缩短滞燃期和急燃期，使燃烧更加完全，燃烧获得的热能大，从而提高内燃机的动力性和经济性，改善废气排放水平。

但国内外多家机构和公司的研究表明，在相同的控制参数下，使用辛烷值过高的汽油，对发动机中小负荷下的燃油经济性不利，有效燃油消耗率增加3%～6.5%，此外，还会对发动机排放存在一定不利影

响[4]。

综合本文研究结果可见，为了适应不同市场汽油的使用需求，应该根据所用汽油的燃烧特性，合理匹配发动机的燃烧控制参数，在抑制爆震倾向的同时，尽可能通过优化数据来降低辛烷值的影响，最大化发挥出发动机的性能，并减少发动机的污染物排放量，达到最优的节能减排效果。

[1]周龙保.内燃机学[M].北京：机械工业出版社，2010：96-97.

[2]颜伏伍.汽车发动机原理[M].北京：人民交通出版社，2007：56-57.

[3]沈义涛，帅石金，王建昕.辛烷值对现代汽油机性能的影响[C]//中国内燃机学会燃烧节能净化分会学术年会论文集，2007：2.

[4]沈义涛.汽油品质对发动机性能影响的试验研究与数值模拟[D].北京：清华大学，2009：15-17.

Research on Engine Performance Affected by Different Types of Gasoline Quality

JIANG Chang-lin，LU Yin
（SAIC GM Wuling Automobile Co.，Ltd.，Liuzhou Guangxi 545000，China）

In the same type，batch engine，with different grades of gasoline engine bench test，from the analysis of combustion mechanism of gasoline engine，engine output performance contrast，assessment of the effect of gasoline on the main performance of the engine，so the higher the better the performance of the card number for companies to enter the conclusion.Overseas markets，processing in the matching engine power，economy and emissions provide theoretical data and guidance.

gasoline quality；engine performance；match

TK418.9

A

1672-545X（2017）06-0239-04

2017-03-13

蒋昌林（1989－），男，广西来宾人，本科，工程师，研究方向：发动机电控匹配。