汽油发动机技术与选用高标号汽油的建议

崔永胜

〔中国石化销售有限公司油品技术研究所 天津 300384〕

汽油发动机技术与选用高标号汽油的建议

崔永胜

〔中国石化销售有限公司油品技术研究所 天津 300384〕

介绍了新型汽油发动机使用的增压技术、直喷技术、可变气门正时技术、发动机压缩比与汽油抗爆性以及国内外汽油标号等相关知识，根据不同发动机技术特点，给出了正确选用高标号汽油的建议。

汽油发动机 技术 介绍 高标号汽油 选用 建议

目前，有些石油销售企业的加油站正在推广销售98号车用汽油(或者更高标号汽油)，这类汽油辛烷值高，适合装配高压缩比发动机的汽车使用，加油站推荐高压缩比或者发动机带“T”(涡轮增压器)的车辆使用。

汽车装配1.8T、2.0T、3.0 T等类型发动机的车主去加油的时候加油站经常会建议使用高标号汽油，而这些车平时可能使用95号(或者92号)汽油，因此车主感觉疑惑，不能判断这种建议是否科学合理，本文通过介绍发动机增压技术、直喷技术、可变气门正时等技术和发动机压缩比等知识，详细说明其中的道理，以便使用户和工作人员做出正确判断，指导科学用油。

1 增压技术

汽车上的1.8T、2.0T或者3.0T之类的标识中，“T”表示涡轮增压，是英文“Turbo charger”的缩写，说明该车的发动机为涡轮增压发动机，该种发动机配备了涡轮增压器。涡轮增压器是一种空气压缩机，将空气预先压缩后再进入气缸，通过增加空气压力，增加空气密度，实现增加气缸进气量。涡轮增压器一般为废气涡轮增压器，废气涡轮增压器装有涡轮和叶轮，它利用发动机排出的废气惯性冲力来推动增压器上的涡轮转动，涡轮又带动同轴的叶轮，叶轮压送空气，使之增压进入气缸。参见图1。

图1 废气涡轮增压器原理示意图

涡轮增压技术在不改变发动机气缸排量，不改变发动机设计的条件下，增大气缸中空气的吸入量，这时行车电脑(ECU)会自动匹配喷射更多的汽油参与燃烧，增加了发动机的输出功率和转速，与同排量的一般发动机相比功率与扭矩大约都提高10 %。一般情况下，当涡轮增压器正常运转时，1.8T发动机大体相当于2.4 L发动机的功率，而油耗量小于 2.4 L发动机；2.0T发动机大体相当于2.6 L发动机的功率，而油耗量小于 2.6 L发动机；3.0T发动机大体相当于3.6 L发动机的功率，而油耗量小于 3.6 L发动机；以此类推。

涡轮增压技术是汽油发动机进气增压技术中最常用的一种，除此还有机械增压、复合增压和气波增压等不常用技术。

由此可见，涡轮增压技术属能使发动机增加输出功率而降低相对油耗的设计。由于此系统不改变发动机气缸原有尺寸，是否使用涡轮增压器和发动机压缩比参数没有直接关联。

2 进气道喷射技术与缸内直喷技术

目前，汽油发动机供油系统有单独使用进气道喷射技术(PFI)或者单独使用缸内直喷技术(GDI)或者同时采用两种技术。

2.1 进气道喷射技术

进气道喷射技术是将汽油喷射至进气歧管，汽油在此与空气混合后形成混合气一起进入气缸燃烧做功，这种喷射形式也被称为电控喷射技术，其油气混合形成情况参见图2。进气道喷射技术设计和制造都很成熟，成本较低，应用广泛。电控喷射系统中行车电脑(ECU)会随时探测发动机温度、进气量、转速变化、震动状况，并随之调整供油量与点火时间、空燃比，因此在动力输出、燃油经济性与排放水平方面较好。

图2 进气道喷射技术混合气形成情况

电控喷射技术根据发动机的动力状况选择最优的气门重叠角，确保动力曲线保持理想的形状。为了增加发动机进气量，提高燃油效率，从早期的单点喷射，演化至多点喷射，气门数量从2个增加至4个或者5个。目前，电控喷射技术与VVT可变气门技术组合使用的发动机是最先进电喷发动机。进气道喷射发动机相对缺点是燃烧效率低，燃油经济性差，有害气体排放多。

2.2 缸内直喷技术

缸内直喷技术是将燃油喷嘴安装于发动机气缸内，直接将汽油通过高压喷油器喷入气缸内，空气单独从歧管进入发动机气缸，行车电脑(ECU)能够精准控制喷油量和进气量，空气与燃油在气缸内混合，混合气形成情况见图3。气缸内油气混合气比较稀薄，低负荷工况时空燃比可以达到40∶1以上(一般进气道喷射发动机的空燃比大约为15∶1)，可实现稀薄混合气分层燃烧，从而无需关小节气门来限制进气量，基本上避免了发动机在换气过程中的泵气损失，有利于降低燃油消耗。在高空燃比情况下，由于混合气物性的改变、绝热指数的增加以及混合气分层致使热损失减少，使得发动机的热效率进一步提高。由于汽车发动机经常在低负荷工况下运行，分层混合气燃烧的直喷式汽油机可使平均燃油耗降低15%～20%。燃烧在燃烧室中央进行，周围有隔热的空气层而减少了壁面热损失，同时使全负荷时的爆震倾向降低，因而发动机能够以较高的压缩比运行，为发动机设计和制造提高压缩比和采用增压技术创造了有利条件。缸内直喷技术与涡轮增压器同时使用的系统称为涡轮增压直喷系统(TGDI或TSI)。缸内直喷涡轮增压技术可提升发动机的燃烧热效率，提高功率，降低耗油量，涡轮增压系统产生的进气涡流可在短时间内更好地使燃油雾化，促进混合气充分燃烧，从而间接实现节省燃油。

图3 缸内直喷技术混合气形成情况

稀薄燃烧技术是指混合气中的汽油比例低、空气比例高的燃烧形式, 燃料分层喷射技术(FSI)是发动机稀燃技术，TFSI就是带涡轮增压分层喷射技术，是将汽油通过高压油泵直接喷入燃烧室，在空气进气道中产生可变涡流，使进气流形成最佳的涡流形态进入燃烧室，以分层填充的方式推动，使混合气集中在位于燃烧室中央的火花塞周围，油气混合比达到25∶1以上。按照常规点火方式无法点燃，通过缸内空气的运动在火花塞周围形成易于点火的浓混合气，混合比达到12∶1左右，外层逐渐稀薄，浓混合气点燃后，燃烧迅速波及外层。分层燃烧过程中燃烧是分浓度梯度的，燃烧区中心的混合气浓度较高，燃烧区域外围空气较多，利用“气多油少”的条件，最后实现“完全燃烧”，所以燃烧效率高。要想达到这种理想状态，必须使用抗爆震性能好的汽油，汽油不能在火花塞还没有点火前，在气缸内高温的作用下自燃，从而产生爆震。

常见FSI发动机按照发动机负荷工况，基本上有两种运行模式。在低负荷时为分层稀薄燃烧，在高负荷时为均质理论空燃比(14.6～14.7)燃烧，这两种运行模式中，汽油的喷射时间不同。在高负荷中所进行的均质理论空燃比燃烧中，汽油在进气冲程中喷射。理论空燃比的均质混合气易于燃烧，不需借助涡流作用，进气阻力小。由于直喷发动机提高了压缩比，即使在均质理论空燃比混合气燃烧中，仍能降低燃油消耗。在低负荷与高负荷之间的运行模式中，燃油在进气冲程喷射，产生能加速稀薄混合气燃烧的纵涡流。与均质理论空燃比燃烧不同的是，吸入空气量超过燃油的喷射量。

采用缸内直喷技术的发动机，在发动机启动和低温运转条件下的碳氢化合物、颗粒物，中小负荷下的氮氧化物的处理增加了技术难度和成本。

2.3 缸内直喷加进气道喷射技术

采用缸内直喷加进气道喷射技术的发动机，是将进两种技术组合在一起，主要目的是提高发动机燃油经济性和减少发动机有害尾气排放，两种喷射方式交替工作能弥补两种技术各自的缺点，发挥自己技术的优点。

3 其他发动机技术的进步

在全球日益严重的能源和环境危机情况下，要求汽车发动机节能减排技术、燃油经济性等方面有新的突破，因此各种新技术、新材料和新工艺不断出现。多点电子燃油喷射、多气门、涡轮增压、可变气门正时、缸内直喷等新技术能够提高燃油经济性；使用氧传感器，三元催化转化器，废气再循环等工艺技术可以尽量降低环境污染；发动机铸造材料也向轻量化方向发展，全铝发动机已经广泛应用；汽车发动机设计制造工艺也得到了长足发展，电子控制技术进展迅猛并得到了广泛的应用，几乎所有技术都离不开精密电子控制技术。下面列举其中的几种技术。

3.1 发动机可变气门正时技术

发动机可变气门正时(VVT，Variable Valve Timing的缩写)技术是发动机能够调整进气门、排气门开合时间及角度，从而控制进排气量。通过控制最佳进气量，能够提高燃烧效率，节省燃油，缺点是有些工况下输出扭矩不足。

3.2 缸内直喷

科研人员通过研究发动机的燃烧机理和燃烧模型，设计与燃烧吻合度高的燃烧室和燃烧方式，通过采用分层燃烧、稀燃等技术，来控制汽车发动机的燃烧进程。一般来说，应用了缸内直喷技术的发动机要比同排量的多点喷射发动机的峰值功率大约提升10 %，而峰值扭矩最多提升10 %，这样的质变，靠电喷发动机增加气门技术是难以达到的。

3.3 涡轮增压缸内直喷

别名地丁、地丁草、紫花地丁、小鸡菜、扁豆秧，为罂粟科植物紫堇的干燥全草，夏季花果期采收，除去杂质，晒干。主要分布于辽宁、河北、内蒙古、山东、山西、陕西、甘肃、宁夏等。

加入涡轮增压器后的增压直喷发动机(TSI)与普通直喷技术相比，在同等排量下实现了动力性和燃油经济性的结合，是目前发动机技术中较为成熟的燃油直喷技术，并引领了汽油发动机的发展趋势。

3.4 直喷发动机可变进气道技术

TSI发动机采用电子系统控制空气流量，在进气方面实现了无节流变道调节，提高了充气效率，从而获得更高的升功率，发动机的动态响应也变得更直接有效。缸内直喷发动机的燃烧室、活塞也大多具有特殊的导流槽，以供油气在进入燃烧室后能够产生气旋涡流，来提高混合油气的雾化效果与燃烧效率。

3.5 提高压缩比

相同排量，压缩比越高的发动机，它的动力表现越强大，相应的节能效果越明显。例如大众、奥迪TFSI缸内直喷发动机的压缩比达到了10.3∶1和10.5∶1，凯迪拉克SIDI缸内直喷发动机的压缩比达到了11.3∶1等。

3.6 新技术组合使用

发动机通过涡轮增压、多气门、可变正时器等技术来提高燃烧效率，提高发动机功率，降低耗油量。发动机新技术可能单独使用，也可将两种技术或者多种组合使用，比如：多点电喷射技术与多气门和可变气门正时组合使用。缸内直喷与可变气门正时组合使用；缸内直喷与涡轮增压技术组合使用；缸内直喷、涡轮增压技术和可变气门正时技术组合使用等等。

3.7 点火提前角调整技术

新型汽油发动机基本都采用了点火提前角调整装置或者爆震传感器技术，在发动机使用不同辛烷值的汽油时，为适应不同汽油抗爆性能的变化和保护发动机，自动调节装置能够改变点火时间。点火提前角过大，易产生爆震而降低功率；点火提前角过小，排气温度升高而功率降低。发动机设计时会设计出最佳点火提前角，同时应匹配使用标号最适合的汽油，使发动机获得最佳动力、燃油经济性能和最佳排放性能。

4 发动机压缩比与汽油抗爆性

发动机压缩比是指气缸总容积与燃烧室容积的比率，表示混合气体压缩的程度。汽油机的压缩比通常在8～12之间，新型的高压缩比汽油机一般为10～12左右，少数高级跑车发动机压缩比可以达到13～14。

一般来说，发动机压缩比越高，油气混合气燃烧时的压力和温度也越高，发动机功率就越大，相对低压缩比发动机油耗就越低。表1中给出了汽车发动机压缩比与功率、油耗相关性的比较。

表1 汽车发动机压缩比与功率和耗油率的关系 %

由表1可以看出发动机压缩比越高，运行过程气缸的压力和温度就越高，热效率越高。提高汽车发动机压缩比可增加发动机的热效率(有效功率)，降低油耗，而压缩比的提高受到发动机气缸材料、发动机结构和汽油抗爆性能的限制，在发动机气缸材料允许的条件下不断增加发动机压缩比，同时匹配高标号汽油是提高热效率，降低油耗的最直接途径。

4.2 汽油抗爆性

辛烷值是表示汽油抗爆性能的单位。汽油标号越高，就说明抗爆性能越好，越不容易产生爆震。混合气在被压缩过程中，火花塞还没有点火时，高压混合气达到了自燃温度，开始猛烈且不正常的燃烧现象，叫作爆震。使用合适标号的汽油是防止发动机爆震的有效方法之一。

汽油辛烷值的测定是以异辛烷和正庚烷为标准燃料，在实验室标准单缸汽油机上用对比法进行的。辛烷值有以下几种：

研究法辛烷值(RON)在发动机在600± 6 r/min转速条件下测定。该方法代表发动机一般加速情况下低速运转时汽油的抗爆性。

马达法辛烷值(MON)在发动机在900± 9 r/min转速，进气温度较高条件下测定。该方法代表发动机重负荷条件下高速运转时汽油的抗爆性。因为测定条件比研究法苛刻，所以马达法辛烷值比研究法辛烷值低。

抗爆指数是研究法辛烷值和马达法辛烷值和的1/2，更能综合表示汽油的抗爆性。

道路法辛烷值也就是行车辛烷值，用汽车进行实测或在全功率试验台上模拟汽车在公路上行驶的条件进行测定。道路辛烷值也可用马达法和研究法辛烷值按经验公式计算求得。马达法辛烷值和研究法辛烷值的平均值称作抗爆指数，它可以近似地表示道路辛烷值。

5 国内外汽油标号的情况

5.1 欧美等发达国家

欧洲主要使用95号、98号汽油，95号汽油使用最为普遍，产销量也最大，这两种汽油标号都是按照研究法辛烷值划分的，大体相当于我国大陆地区使用的95号、98号汽油。

美国使用87号、89号、91号、93号汽油，这些汽油是按照抗爆指数划分的。美国87号、89号、93号汽油分别大体相当于我国的92号、95号、98号汽油。

日本汽油标号是按照研究法辛烷值划分的，分为96号、89号汽油。

5.2 我国汽油标号情况

目前，汽油国家标准GB17930《车用汽油》标准中按照研究法辛烷值划分为89号、92号、95号、98号汽油。

我国汽车发动机技术主要来自欧美、日本等国家和地区，这些先进技术的汽车发动机要有相应的汽油与之匹配才能充分发挥动力性能。我国汽油经过多次质量升级，目前质量水平已经达到欧美日等发达国家和地区质量水平，因此，按照相关规定科学合理选用汽油，完全能发挥发动机的动力性能。

6 讨论与建议

(1)为了降低燃油消耗，增强输出动力，降低有害气体排放，改进驾乘感受，发动机不断应用新技术，新型发动机大多都被设计成直喷高压缩比发动机，涡轮增压直喷高压缩比发动机是汽油发动机发展的趋势。

(2)高压缩比的发动机使用较低标号汽油时通过推迟点火可以减轻和消除爆震，没有高标号汽油的情况下可以临时使用低标号汽油，但长时间使用或者想要发挥出发动机原设计性能时还是要选用合适标号的汽油。

(3)选择汽油标号的最重要依据是发动机压缩比。一般新型汽油发动机压缩比一般都在9以上，建议根据发动机缩比具体数值选用汽油，压缩比大于9.5的车建议使用95或者98号汽油。高压缩比发动机使用高标号汽油能够满足汽车设计性能要求，不但增强动力，而且可以适当降低油耗。

(4)装配缸内直喷型式发动机的汽车，压缩比一般都高，普遍大于9.5，大多数发动机压缩比都接近或者超过10，有些发动机甚至达到了11～12，建议选用98号汽油，这类发动机也同时加装了涡轮增压器，因此，建议这类带涡轮增压器直喷发动机的车辆选用98号汽油。

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[7] 国家质量监督检验检疫总局.国家标准化管理委员会.GB17930-2013.车用汽油[S].北京：中国标准出版社，2013.

[8] 世界燃油规范 第五版.

2016-12-26。

崔永胜(1980-)，男，毕业于天津科技大学高分子材料与工程专业，大学本科，高级工程师。2003年开始至今一直从事成品油质量管理，油品检测技术，油品和燃油添加剂应用研究与开发，汽车养护化学品应用研究与开发等工作。