不同汽油品質(zhì)對發(fā)動機(jī)性能影響的研究

蔣昌林，盧銀

（上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西柳州545007）

不同汽油品質(zhì)對發(fā)動機(jī)性能影響的研究

蔣昌林，盧銀

（上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西柳州545007）

在同一型號、批次的發(fā)動機(jī)上，加注不同牌號的汽油進(jìn)行發(fā)動機(jī)臺架試驗(yàn)，從汽油發(fā)動機(jī)的燃燒機(jī)理上進(jìn)行分析，對比發(fā)動機(jī)的性能輸出表現(xiàn)，評估汽油油品對發(fā)動機(jī)主要性能的影響，得出牌號越高性能越好的結(jié)論，為企業(yè)在進(jìn)軍海外市場時(shí)，在匹配發(fā)動機(jī)的動力性、經(jīng)濟(jì)性和排放物后處理方面提供理論數(shù)據(jù)和指導(dǎo)方向。

汽油品質(zhì)；發(fā)動機(jī)性能；匹配

發(fā)動機(jī)作為傳統(tǒng)汽車的核心部件，是車輛驅(qū)動力和電力的唯一來源，相當(dāng)于汽車的心臟。常見的車用發(fā)動機(jī)，根據(jù)所使用的燃料主要分為汽油機(jī)和柴油機(jī)，兩者都屬于往復(fù)活塞式內(nèi)燃機(jī)，能將燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能通過曲軸對外輸出動力。由于石油儲量的不斷減少和排放法規(guī)的日趨嚴(yán)格，各大汽車廠家紛紛研發(fā)出了渦輪增壓、缸內(nèi)直噴、可變氣門正時(shí)、排氣再循環(huán)等先進(jìn)的技術(shù)來優(yōu)化發(fā)動機(jī)的燃燒控制。但一般情況下，車企出于成本和周期的考慮，會選擇直接輸出國內(nèi)成熟的技術(shù)，而不會選擇為國外市場專門研發(fā)新的發(fā)動機(jī)，此時(shí)，燃油的品質(zhì)將是影響到發(fā)動機(jī)性能的最主要因素。

目前，各國的煉油工藝和燃油法規(guī)存在著較大差異，導(dǎo)致各國市場上所使用的燃油品質(zhì)各異，不同的燃油品質(zhì)勢必會使發(fā)動機(jī)有著不同表現(xiàn)的性能輸出。因此，針對國內(nèi)油品調(diào)試的發(fā)動機(jī)控制參數(shù)是不能直接沿用到國外市場的，為了讓發(fā)動機(jī)在更換油品后還能維持良好的運(yùn)行狀態(tài)和性能輸出，就需要根據(jù)新油品的理化特性來調(diào)整燃燒的控制參數(shù)。

本文主要通過對汽油機(jī)燃燒機(jī)理的分析，對比分別加注中國93#汽油和某國88#、92#汽油的發(fā)動機(jī)性能差異，研究汽油品質(zhì)對發(fā)動機(jī)性能的影響，為發(fā)動機(jī)在切換新油品后匹配動力性、經(jīng)濟(jì)性和排放物后處理提供指導(dǎo)方向。

1 汽油機(jī)的燃燒機(jī)理

車用發(fā)動機(jī)一般都是四沖程發(fā)動機(jī)，四個(gè)沖程分別為進(jìn)氣、壓縮、做功、排氣。其中做功沖程是內(nèi)燃機(jī)將燃料化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的過程，燃燒的質(zhì)量決定了發(fā)動機(jī)各方面的性能表現(xiàn)，所以油品的差異主要通過燃燒過程對性能產(chǎn)生影響。汽油機(jī)的燃燒過程一般分為三個(gè)階段：滯燃期、急燃期和后燃期。從火花塞開始跳火到火焰中心形成的時(shí)期成為滯燃期，滯燃期是燃燒的準(zhǔn)備階段，主要進(jìn)行熱量的積累，滯燃期越短，熱效率越高；從出現(xiàn)火焰中心到缸內(nèi)壓力達(dá)到最高的時(shí)期稱為急燃期，在這一階段燃料迅速燃燒，缸內(nèi)壓力和溫度急劇上升，最高壓力點(diǎn)出現(xiàn)的時(shí)刻對發(fā)動機(jī)功率和經(jīng)濟(jì)性有重大影響，可通過調(diào)整點(diǎn)火提前角來對其進(jìn)行調(diào)整；從溫度最高點(diǎn)到燃燒完全結(jié)束的時(shí)期稱為后燃期，在這一階段，由于燃燒室含氧量減少，少部分燃料未能充分氧化，燃燒室邊緣和汽缸壁的燃料繼續(xù)燃燒，會使燃燒速度減慢，此時(shí)燃料的缺氧燃燒會產(chǎn)生黑煙，造成發(fā)動機(jī)熱負(fù)荷增加，熱效率減小，功率下降，進(jìn)而影響燃燒的經(jīng)濟(jì)性和排氣凈化度，故后燃期應(yīng)盡可能縮短[1]。

2 汽油的物理化學(xué)特性

目前的車用汽油主要通過催化裂化石油來獲得，是100多種烴的混合物，因此本文介紹的汽油理化特性參數(shù)均為汽油所含組分理化特性參數(shù)的平均值。

2.1 汽油的物理特性參數(shù)

與發(fā)動機(jī)性能密切相關(guān)的汽油物理特性參數(shù)包括：密度、粘度、表面張力、沸點(diǎn)、比熱容、汽化潛熱、飽和蒸氣壓、擴(kuò)散系數(shù)、平均分子量等。密度、粘度和表面張力影響汽油霧化過程的液滴破碎和貫穿；沸點(diǎn)、比熱容、汽化潛熱、飽和蒸氣壓、擴(kuò)散系數(shù)、平均分子量則影響汽油的蒸發(fā)過程，蒸發(fā)性強(qiáng)，易汽化，則燃燒速度快，燃燒完全程度高，動力經(jīng)濟(jì)性好。

物理特性參數(shù)與汽油組分有密切關(guān)系，汽油中芳烴含量高，則密度、分子量、粘度、表面張力和汽化潛熱大，擴(kuò)散系數(shù)小，沸點(diǎn)高，飽和蒸氣壓低，含碳量高，含氫量低；汽油含烷烴多，則與上述現(xiàn)象相反；含烯烴多則居中[2]。

2.2 汽油的化學(xué)特性參數(shù)

與發(fā)動機(jī)性能密切相關(guān)的汽油化學(xué)特性參數(shù)主要包括：辛烷值、理論混合氣熱值、燃料熱值和硫含量等。辛烷值表征了汽油的抗爆性能，辛烷值高則著火滯燃期短；理論混合氣熱值與發(fā)動機(jī)的功率密度相關(guān)，相同排量下，混合氣熱值越高，則每循環(huán)做功越多，動力性越好；燃料熱值反應(yīng)了汽油的能量密度，熱值越高，單位質(zhì)量或體積所能提供的能量越大，汽車?yán)m(xù)航能力越強(qiáng)；汽油中的硫會導(dǎo)致發(fā)動機(jī)排氣后處理系統(tǒng)中毒。

同物理特性一樣，化學(xué)特性與組分也有密切關(guān)系，芳烴含量高，則辛烷值高，燃料質(zhì)量熱值低，理論空燃比小；烷烴尤其是正烷烴含量高，則辛烷值低，燃料質(zhì)量熱值高，理論空燃比大；烯烴仍然居中；汽油中不同烴類間的理論混合氣熱值則差別不大[2]。

3 辛烷值與發(fā)動機(jī)性能的相關(guān)性

國際上對汽油品質(zhì)的區(qū)分主要通過辛烷值來體現(xiàn)，辛烷值主要成分的化學(xué)式為C8H18.辛烷值是衡量汽油抗爆性能好壞的指標(biāo)，根據(jù)試驗(yàn)方法，辛烷值分為研究法辛烷值（RON）和馬達(dá)法辛烷值（MON）。研究法辛烷值和馬達(dá)法辛烷值的差值定義為燃油靈敏度Sa，一般不希望Sa值大于10.Sa取決于汽油所含烴類及其占比重，含烷烴較多，Sa值較小，在發(fā)動機(jī)改變工況時(shí)，汽油抗爆性變化不大；含芳烴、烯烴較多，Sa值較大。

本文分別采用RON為88#、91#和93#的汽油在1.5L自然吸氣發(fā)動機(jī)上進(jìn)行性能試驗(yàn)研究，總結(jié)了辛烷值對動力性、燃油經(jīng)濟(jì)性的影響規(guī)律，并通過燃燒放熱分析對其中機(jī)理進(jìn)行了分析。進(jìn)行測試的發(fā)動機(jī)參數(shù)和試驗(yàn)汽油主要性能指標(biāo)如下表1、表2所示。

表1 發(fā)動機(jī)主要參數(shù)

表2 試驗(yàn)汽油主要性能指標(biāo)

在發(fā)動機(jī)臺架試驗(yàn)室常溫（25±4）℃，常壓（10±0.1）MPa條件下，通過PC設(shè)備與發(fā)動機(jī)控制模塊進(jìn)行通訊連接，汽車標(biāo)定開發(fā)軟件INCA實(shí)時(shí)監(jiān)控和記錄，發(fā)動機(jī)分別加注3種牌號的汽油，調(diào)整各項(xiàng)相關(guān)控制參數(shù)，使發(fā)動機(jī)達(dá)到該油品條件下的最優(yōu)性能。發(fā)動機(jī)運(yùn)行在全負(fù)荷工況下，PC設(shè)備收集記錄發(fā)動機(jī)各項(xiàng)性能數(shù)據(jù)，重點(diǎn)關(guān)注功率、扭矩、比油耗。

分別加注3種牌號汽油的發(fā)動機(jī)全負(fù)荷功率、扭矩、比油耗數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 發(fā)動機(jī)全負(fù)荷性能參數(shù)

3.1 辛烷值對發(fā)動機(jī)動力性的影響

試驗(yàn)用汽油機(jī)采用不同辛烷值的汽油進(jìn)行外特性試驗(yàn)時(shí)的扭矩和功率結(jié)果如圖1和圖2所示。

圖1 三種牌號汽油扭矩對比

圖2 三種牌號汽油功率對比

由圖1可見，在所有轉(zhuǎn)速下，辛烷值越高，扭矩越大；在中低轉(zhuǎn)速（n=1 000～3 600 r/min）范圍，隨轉(zhuǎn)速的升高，扭矩差值增大；轉(zhuǎn)速高于n=3 600 r/min后，汽油辛烷值對扭矩的影響趨于減小。

由圖2可見，在所有轉(zhuǎn)速下，辛烷值越高，功率越大；在中低轉(zhuǎn)速（n=1 000～3 600 r/min）范圍，隨轉(zhuǎn)速的升高，功率差值增大；轉(zhuǎn)速高于n=3 600 r/min后，汽油辛烷值對功率的影響趨于減小。這是因?yàn)椋谥械娃D(zhuǎn)速全負(fù)荷時(shí)，辛烷值越低，由爆震反饋控制系統(tǒng)決定的點(diǎn)火時(shí)刻越晚，用88#汽油時(shí)的點(diǎn)火時(shí)刻相對于用93#油時(shí)最大推后6oCA，這會導(dǎo)致燃燒相位推后，燃燒等容度、熱效率和動力性下降；隨發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速升高，辛烷值對點(diǎn)火提前角的影響下降，三種汽油所對應(yīng)的點(diǎn)火提前角接近，這使得高轉(zhuǎn)速時(shí)不同辛烷值汽油的輸出轉(zhuǎn)矩接近。可見，燃用高標(biāo)號汽油對提高中低轉(zhuǎn)速動力性較為有利，在高轉(zhuǎn)速時(shí)的動力性作用減弱，但仍具有可觀優(yōu)勢。

而之所以辛烷值高的汽油整體性能表現(xiàn)比辛烷值低汽油的好，是因?yàn)楦咝镣橹蒂x予了汽油高抗爆性，使點(diǎn)火提前角早于低辛烷值汽油，從而使燃燒更加靠近上止點(diǎn)，提高了燃燒過程的等容度和熱效率，在每循環(huán)輸入缸內(nèi)能量接近的情況下，熱效率越高則有效輸出功率越高，動力性越好[3]。

3.2 辛烷值對發(fā)動機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性的影響

試驗(yàn)用汽油機(jī)采用不同辛烷值的汽油進(jìn)行外特性試驗(yàn)的比油耗結(jié)果如圖3所示。

圖3 三種牌號汽油比油耗對比

由比油耗數(shù)據(jù)可見，三種牌號汽油燃油消耗率曲線趨勢是基本一致的，因?yàn)楦咝镣橹档钠蜔嵝矢撸瑢μ岣呷加徒?jīng)濟(jì)性有利，所以辛烷值高的汽油燃油經(jīng)濟(jì)性要好于辛烷值低的汽油。

4 油品參數(shù)綜合討論及優(yōu)化

在汽油機(jī)的做功過程中，混合氣的好壞決定了燃燒的質(zhì)量，燃燒的質(zhì)量決定了發(fā)動機(jī)的輸出性能，品質(zhì)高的汽油可以加速燃燒、縮短滯燃期和急燃期，使燃燒更加完全，燃燒獲得的熱能大，從而提高內(nèi)燃機(jī)的動力性和經(jīng)濟(jì)性，改善廢氣排放水平。

但國內(nèi)外多家機(jī)構(gòu)和公司的研究表明，在相同的控制參數(shù)下，使用辛烷值過高的汽油，對發(fā)動機(jī)中小負(fù)荷下的燃油經(jīng)濟(jì)性不利，有效燃油消耗率增加3%～6.5%，此外，還會對發(fā)動機(jī)排放存在一定不利影

響[4]。

綜合本文研究結(jié)果可見，為了適應(yīng)不同市場汽油的使用需求，應(yīng)該根據(jù)所用汽油的燃燒特性，合理匹配發(fā)動機(jī)的燃燒控制參數(shù)，在抑制爆震傾向的同時(shí)，盡可能通過優(yōu)化數(shù)據(jù)來降低辛烷值的影響，最大化發(fā)揮出發(fā)動機(jī)的性能，并減少發(fā)動機(jī)的污染物排放量，達(dá)到最優(yōu)的節(jié)能減排效果。

[1]周龍保.內(nèi)燃機(jī)學(xué)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010：96-97.

[2]顏伏伍.汽車發(fā)動機(jī)原理[M].北京：人民交通出版社，2007：56-57.

[3]沈義濤，帥石金，王建昕.辛烷值對現(xiàn)代汽油機(jī)性能的影響[C]//中國內(nèi)燃機(jī)學(xué)會燃燒節(jié)能凈化分會學(xué)術(shù)年會論文集，2007：2.

[4]沈義濤.汽油品質(zhì)對發(fā)動機(jī)性能影響的試驗(yàn)研究與數(shù)值模擬[D].北京：清華大學(xué)，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

蔣昌林（1989－），男，廣西來賓人，本科，工程師，研究方向：發(fā)動機(jī)電控匹配。