汽油油品抗爆性對發(fā)動機燃油經(jīng)濟性影響分析

博士，葉鵬，彭鎮(zhèn)

（安徽江淮汽車集團股份有限公司，安徽 合肥 230022）

前言

隨著有車族的增加，對燃油成本也越來越關(guān)注。社會上，汽車技術(shù)論壇，甚至一些學術(shù)院校的刊物、論文中都有對油品對綜合油耗影響的評說，但沒有有效的試驗數(shù)據(jù)佐證。本文旨在利用一款成熟的增壓汽油發(fā)動機，通過試驗分析，驗證市場常見的 92#汽油和 95#汽油對發(fā)動機燃油經(jīng)濟性的影響，利用燃燒閉環(huán)區(qū)域、燃燒穩(wěn)定區(qū)域分析影響原因，并利用燃油消耗率變化率表征影響結(jié)果。

1 油品組分對發(fā)動機性能影響的機理分析

1.1 組分對發(fā)動機性能的影響

汽油主要由烷烴（包括正構(gòu)烷烴、異構(gòu)烷烴和環(huán)烷烴等）、烯烴（包括正構(gòu)烯烴、異構(gòu)烯烴等）和芳烴等組成，以及為了增加汽油辛烷值和含氧量，而添加的MBTE（甲基叔丁基醚，一種抗爆劑)。

與發(fā)動機性能密切相關(guān)的汽油化學特性參數(shù)主要包括辛烷值、燃料熱值、理論混合氣熱值、理論空燃比和硫含量等。辛烷值表征了汽油的抗爆性能。

芳烴含量高會導致汽油燃燒速率的降低，低芳烴含量汽油能夠顯著降低有毒物苯的排放，依據(jù)標準要求國Ⅴ汽油芳烴含量不大于40%。

烯烴是汽油中高辛烷值組分，化學性質(zhì)活潑，易參與燃燒，高烯烴含量的汽油提高燃燒速度和可縮短燃燒滯燃期。

1.2 95#汽油和92#汽油的組分差異分析

95#汽油相比 92#汽油會添加較多的重整汽油和 MTBE抗爆劑來達到辛烷值的要求。從而導致 95#汽油的芳烴含量和氧含量較92#汽油升高，而烯烴含量有所下降。

表1 不同標號汽油的主要組分對比

95#汽油較92#汽油烯烴含量低、芳烴含量高、含氧量高。

在不改變ECU數(shù)據(jù)的情況下，使用95#汽油，空燃比小，燃燒持續(xù)時間長，燃燒滯燃期長，反而會出現(xiàn)有效燃油消耗率提高，排放變差的現(xiàn)象。

辛烷值提高，發(fā)動機點火提前角可以增大，對ECU數(shù)據(jù)優(yōu)化后，95#汽油的燃燒效果優(yōu)于92#汽油。

2 試驗方案策劃

2.1 試驗樣機

所用試驗樣機為具備國五排放水平的增壓汽油發(fā)動機。在試驗開始前，完成樣機磨合，完成樣機的基本性能測試，動力性、經(jīng)濟性符合設計目標。

2.2 試驗油品

試驗用油使用滿足國五標準的定制汽油，各化學組分在限值范圍內(nèi)。油品基本參數(shù)如下表。

2.3 試驗方案

因汽油發(fā)動機的排放可以基于三元催化轉(zhuǎn)化器，完成大量排放物的降低，且基于標定開發(fā)經(jīng)驗，以量產(chǎn)數(shù)據(jù)的NEDC特征點穩(wěn)態(tài)排放值為基準，排放結(jié)果上下浮動不超過10%，在不變更催化劑配方和催化器容量的前提下，可以滿足排放要求。故此次對比試驗中，同一工況點，調(diào)整ECU數(shù)據(jù)后的排放測試結(jié)果偏差需不超過10%。

使用95#汽油和92#汽油進行對比試驗過程中，兩種油品的同一試驗、同一工況的試驗邊界保持一致。

策劃了如下試驗內(nèi)容：

（1）外特性經(jīng)濟性對比試驗，調(diào)整ECU數(shù)據(jù)，使得在爆震強度基本一致的前提下，動力性能滿足設計要求，經(jīng)濟性能達到最優(yōu)狀態(tài)。

（2）NEDC特征點經(jīng)濟性對比試驗，調(diào)整ECU數(shù)據(jù)，確保平均缸內(nèi)指示壓力（后簡稱IMEP）的循環(huán)變動率在2.5%以內(nèi)，經(jīng)濟性能達到最優(yōu)狀態(tài)。NEDC特征點依據(jù)數(shù)據(jù)計算得出。

（3）閉環(huán)區(qū)域[1]邊界對比試驗，調(diào)整ECU數(shù)據(jù)，確保IMEP的循環(huán)變動率在2.5%以內(nèi)，渦前溫度不超過設計目標，調(diào)查閉環(huán)區(qū)域邊界。

（4）燃燒穩(wěn)定區(qū)域邊界對比，調(diào)整ECU數(shù)據(jù)，確保渦前溫度不超過設計目標，調(diào)查燃燒放熱率達到50%（后簡稱AI50）的相對曲軸轉(zhuǎn)角的區(qū)域邊界（一般認為AI50=8CA為爆震臨界區(qū)域）。

2.4 評價方法

針對外特性區(qū)域和部分負荷區(qū)域的燃油經(jīng)濟性對比，通過燃油消耗率變化率進行表征變化幅度，其中燃油消耗率變化率（δ）為：

FCR95：使用95#汽油的某一工況燃油消耗率

FCR92：使用92#汽油的某一工況燃油消耗率

同時，測試閉環(huán)區(qū)域和燃燒穩(wěn)定區(qū)域的范圍，用以分析燃油消耗率變化的原因，表征燃燒狀態(tài)較好的區(qū)域變化。

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 外特性經(jīng)濟性對比試驗結(jié)果

發(fā)動機使用 95#油品的外特性燃油消耗率降低明顯，其中，中等轉(zhuǎn)速區(qū)域的外特性燃油消耗率降低最為明顯，燃油消耗率變化率最大可以達到13.7%。主要原因分析：

（1）外特性區(qū)域的燃燒較為劇烈，控制爆震是外特性標定的重要影響因素。95#油品抗爆性較92#汽油略好，可以一定程度上抑制爆震發(fā)生。點火角可以提前1～3CA；

（2）95#油品，點火角提前，動力性增強，與 92#油品同扭矩工況下的油耗量降低，燃油消耗率降低；

（3）95#油品，點火角提前，渦前溫度降低， 空燃比可以適當增加，從而降低燃油消耗率。

圖1 外特性燃油消耗率對比

3.2 NEDC特征點經(jīng)濟性對比試驗結(jié)果

如圖2，使用95#汽油和92#汽油，NEDC特征點的燃油消耗率有略微降低，負荷越高，效果越明顯，具體對比結(jié)果如下：

（1）轉(zhuǎn)速低、負荷低工況：閉環(huán)區(qū)域，空燃比無需調(diào)節(jié)；點火角處于最佳位置；無法通過調(diào)整ECU參數(shù)來實現(xiàn)燃油消耗率的降低；

圖2 NEDC特征工況點的燃油消耗率對比

（2）轉(zhuǎn)速高、負荷高工況：閉環(huán)區(qū)域，空燃比無需調(diào)節(jié)；AI50超出8CA的最佳燃燒區(qū)域，可增大點火提前角至最佳燃燒區(qū)域，燃油消耗率變化率為1%～2%。

3.3 閉環(huán)區(qū)域邊界對比試驗結(jié)果

閉環(huán)區(qū)域越大，表示燃油經(jīng)濟區(qū)越寬泛，越有利于整車燃油經(jīng)濟性的表現(xiàn)。如圖3，使用92#汽油的閉環(huán)區(qū)域為區(qū)域1，95#汽油較使用92#汽油，閉環(huán)區(qū)域增加了區(qū)域2。

（1）中低速工況，使用 95＃油品的閉環(huán)區(qū)域更寬泛。95#油品抗爆性優(yōu)異，點火提前角可適當提前，不需要加濃空燃比來控制排溫，故在較高負荷，發(fā)動機也可以工作在閉環(huán)區(qū)域。

（2）高速工況，兩種油品的閉環(huán)區(qū)域邊界無差異。在此區(qū)域，點火提前角對降低排溫的效果不明顯，需要在開環(huán)控制狀態(tài)下，加濃空燃比來控制排溫。

圖3 部分負荷閉環(huán)區(qū)域邊界對比

3.4 燃燒穩(wěn)定區(qū)域邊界對比試驗結(jié)果

95＃油品的抗爆性好，點火角可以相應提前，使得AI50進入最佳燃燒區(qū)域。該區(qū)域越大，燃油消耗率最佳區(qū)域也相應越大。如圖4，使用92#汽油的燃燒穩(wěn)定區(qū)域為區(qū)域1，95#汽油較使用92#汽油，燃燒穩(wěn)定區(qū)域增加了區(qū)域2。

其中，變化較為明顯的為中速中負荷區(qū)域，也是整車常用工況區(qū)域，使用95#汽油，中速中負荷區(qū)域基本處于燃燒穩(wěn)定區(qū)域，燃燒相對穩(wěn)定，對于燃油經(jīng)濟性的控制也更為有利。

圖4 燃燒穩(wěn)定區(qū)域邊界對比

4 結(jié)論

（1）發(fā)動機使用95#汽油的外特性燃油消耗率整體降低明顯，燃油消耗率變化率最大為13.7%；

（2）部分負荷的中高速、大負荷區(qū)域， 95#油品的油耗率有所降低，燃油消耗率變化率最大為 2.14%；部分負荷的低速、小負荷區(qū)域，燃油消耗率無改善；

（3）從部分負荷到外特性區(qū)域，使用95#汽油，中等轉(zhuǎn)速區(qū)域是燃燒狀態(tài)變化最為明顯的區(qū)域，燃燒趨于穩(wěn)定，閉環(huán)區(qū)域變大，燃油消耗率降低的也最為明顯；

（4）高速工況，閉環(huán)區(qū)域和燃燒穩(wěn)定性區(qū)域的變化均較小。

參考文獻

[1] 孫建新.內(nèi)燃機構(gòu)造與原理[M].人民交通出版社,2009.

[2] 帥石金. 辛烷值對現(xiàn)代汽油車油耗與排放影響的整車試驗[J]. 汽車安全與節(jié)能學報,2014.5.