汽油油品抗爆性对发动机燃油经济性影响分析

博士，叶鹏，彭镇

（安徽江淮汽车集团股份有限公司，安徽 合肥 230022）

前言

随着有车族的增加，对燃油成本也越来越关注。社会上，汽车技术论坛，甚至一些学术院校的刊物、论文中都有对油品对综合油耗影响的评说，但没有有效的试验数据佐证。本文旨在利用一款成熟的增压汽油发动机，通过试验分析，验证市场常见的 92#汽油和 95#汽油对发动机燃油经济性的影响，利用燃烧闭环区域、燃烧稳定区域分析影响原因，并利用燃油消耗率变化率表征影响结果。

1 油品组分对发动机性能影响的机理分析

1.1 组分对发动机性能的影响

汽油主要由烷烃（包括正构烷烃、异构烷烃和环烷烃等）、烯烃（包括正构烯烃、异构烯烃等）和芳烃等组成，以及为了增加汽油辛烷值和含氧量，而添加的MBTE（甲基叔丁基醚，一种抗爆剂)。

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、燃料热值、理论混合气热值、理论空燃比和硫含量等。辛烷值表征了汽油的抗爆性能。

芳烃含量高会导致汽油燃烧速率的降低，低芳烃含量汽油能够显著降低有毒物苯的排放，依据标准要求国Ⅴ汽油芳烃含量不大于40%。

烯烃是汽油中高辛烷值组分，化学性质活泼，易参与燃烧，高烯烃含量的汽油提高燃烧速度和可缩短燃烧滞燃期。

1.2 95#汽油和92#汽油的组分差异分析

95#汽油相比 92#汽油会添加较多的重整汽油和 MTBE抗爆剂来达到辛烷值的要求。从而导致 95#汽油的芳烃含量和氧含量较92#汽油升高，而烯烃含量有所下降。

表1 不同标号汽油的主要组分对比

95#汽油较92#汽油烯烃含量低、芳烃含量高、含氧量高。

在不改变ECU数据的情况下，使用95#汽油，空燃比小，燃烧持续时间长，燃烧滞燃期长，反而会出现有效燃油消耗率提高，排放变差的现象。

辛烷值提高，发动机点火提前角可以增大，对ECU数据优化后，95#汽油的燃烧效果优于92#汽油。

2 试验方案策划

2.1 试验样机

所用试验样机为具备国五排放水平的增压汽油发动机。在试验开始前，完成样机磨合，完成样机的基本性能测试，动力性、经济性符合设计目标。

2.2 试验油品

试验用油使用满足国五标准的定制汽油，各化学组分在限值范围内。油品基本参数如下表。

2.3 试验方案

因汽油发动机的排放可以基于三元催化转化器，完成大量排放物的降低，且基于标定开发经验，以量产数据的NEDC特征点稳态排放值为基准，排放结果上下浮动不超过10%，在不变更催化剂配方和催化器容量的前提下，可以满足排放要求。故此次对比试验中，同一工况点，调整ECU数据后的排放测试结果偏差需不超过10%。

使用95#汽油和92#汽油进行对比试验过程中，两种油品的同一试验、同一工况的试验边界保持一致。

策划了如下试验内容：

（1）外特性经济性对比试验，调整ECU数据，使得在爆震强度基本一致的前提下，动力性能满足设计要求，经济性能达到最优状态。

（2）NEDC特征点经济性对比试验，调整ECU数据，确保平均缸内指示压力（后简称IMEP）的循环变动率在2.5%以内，经济性能达到最优状态。NEDC特征点依据数据计算得出。

（3）闭环区域[1]边界对比试验，调整ECU数据，确保IMEP的循环变动率在2.5%以内，涡前温度不超过设计目标，调查闭环区域边界。

（4）燃烧稳定区域边界对比，调整ECU数据，确保涡前温度不超过设计目标，调查燃烧放热率达到50%（后简称AI50）的相对曲轴转角的区域边界（一般认为AI50=8CA为爆震临界区域）。

2.4 评价方法

针对外特性区域和部分负荷区域的燃油经济性对比，通过燃油消耗率变化率进行表征变化幅度，其中燃油消耗率变化率（δ）为：

FCR95：使用95#汽油的某一工况燃油消耗率

FCR92：使用92#汽油的某一工况燃油消耗率

同时，测试闭环区域和燃烧稳定区域的范围，用以分析燃油消耗率变化的原因，表征燃烧状态较好的区域变化。

3 试验结果及分析

3.1 外特性经济性对比试验结果

发动机使用 95#油品的外特性燃油消耗率降低明显，其中，中等转速区域的外特性燃油消耗率降低最为明显，燃油消耗率变化率最大可以达到13.7%。主要原因分析：

（1）外特性区域的燃烧较为剧烈，控制爆震是外特性标定的重要影响因素。95#油品抗爆性较92#汽油略好，可以一定程度上抑制爆震发生。点火角可以提前1～3CA；

（2）95#油品，点火角提前，动力性增强，与 92#油品同扭矩工况下的油耗量降低，燃油消耗率降低；

（3）95#油品，点火角提前，涡前温度降低， 空燃比可以适当增加，从而降低燃油消耗率。

图1 外特性燃油消耗率对比

3.2 NEDC特征点经济性对比试验结果

如图2，使用95#汽油和92#汽油，NEDC特征点的燃油消耗率有略微降低，负荷越高，效果越明显，具体对比结果如下：

（1）转速低、负荷低工况：闭环区域，空燃比无需调节；点火角处于最佳位置；无法通过调整ECU参数来实现燃油消耗率的降低；

图2 NEDC特征工况点的燃油消耗率对比

（2）转速高、负荷高工况：闭环区域，空燃比无需调节；AI50超出8CA的最佳燃烧区域，可增大点火提前角至最佳燃烧区域，燃油消耗率变化率为1%～2%。

3.3 闭环区域边界对比试验结果

闭环区域越大，表示燃油经济区越宽泛，越有利于整车燃油经济性的表现。如图3，使用92#汽油的闭环区域为区域1，95#汽油较使用92#汽油，闭环区域增加了区域2。

（1）中低速工况，使用 95＃油品的闭环区域更宽泛。95#油品抗爆性优异，点火提前角可适当提前，不需要加浓空燃比来控制排温，故在较高负荷，发动机也可以工作在闭环区域。

（2）高速工况，两种油品的闭环区域边界无差异。在此区域，点火提前角对降低排温的效果不明显，需要在开环控制状态下，加浓空燃比来控制排温。

图3 部分负荷闭环区域边界对比

3.4 燃烧稳定区域边界对比试验结果

95＃油品的抗爆性好，点火角可以相应提前，使得AI50进入最佳燃烧区域。该区域越大，燃油消耗率最佳区域也相应越大。如图4，使用92#汽油的燃烧稳定区域为区域1，95#汽油较使用92#汽油，燃烧稳定区域增加了区域2。

其中，变化较为明显的为中速中负荷区域，也是整车常用工况区域，使用95#汽油，中速中负荷区域基本处于燃烧稳定区域，燃烧相对稳定，对于燃油经济性的控制也更为有利。

图4 燃烧稳定区域边界对比

4 结论

（1）发动机使用95#汽油的外特性燃油消耗率整体降低明显，燃油消耗率变化率最大为13.7%；

（2）部分负荷的中高速、大负荷区域， 95#油品的油耗率有所降低，燃油消耗率变化率最大为 2.14%；部分负荷的低速、小负荷区域，燃油消耗率无改善；

（3）从部分负荷到外特性区域，使用95#汽油，中等转速区域是燃烧状态变化最为明显的区域，燃烧趋于稳定，闭环区域变大，燃油消耗率降低的也最为明显；

（4）高速工况，闭环区域和燃烧稳定性区域的变化均较小。

参考文献

[1] 孙建新.内燃机构造与原理[M].人民交通出版社,2009.

[2] 帅石金. 辛烷值对现代汽油车油耗与排放影响的整车试验[J]. 汽车安全与节能学报,2014.5.