辛烷值对现代汽油机性能的影响

成都，2007年8月 中国内燃机学会燃烧净化节能分会2007年学术年会论文集

辛烷值对现代汽油机性能的影响

沈义涛，帅石金，王建昕

（清华大学汽车安全与节能国家重点实验室，北京 100084）

摘要:本文在一台满足欧IV排放法规的汽油机上，通过台架试验，对三种不同辛烷值汽油的动力性、燃油经济性、燃烧特性和排放特性进行了研究。试验结果表明：提高汽油的辛烷值，对提高中低转速大负荷时的动力性和经济性有一定作用，而对高转速时的动力性没有影响，经济性则存在不利影响；辛烷值低，着火落后期稍短；低辛烷值汽油的THC、CO和NO X排放整体低于高辛烷值汽油，降幅在14%以内。

关键词: 汽油机；辛烷值；性能；试验

引言

随着汽车排放法规的加严，世界各国对汽油品质的要求越来越高，辛烷值作为一个重要的汽油油品指标受到了越来越多的关注。目前社会上许多人认为，提高了汽油辛烷值之后，就可以相应提高汽油机的压缩比，从而提高汽油机的热效率，改善其经济性。但随着发动机技术的不断发展，尤其是现代汽油机中爆震反馈系统的使用，使得汽油机对辛烷值的敏感程度有所降低，因而重新认识辛烷值对汽油机性能的影响很有必要。

根据试验方法的不同，辛烷值分为研究法辛烷值（RON）和马达法辛烷值（MON）。世界各国由于炼制工艺的不同，其汽油组分不一样，汽油辛烷值也不尽相同。例如欧洲以催化重整为主，汽油中芳烃含量高，因此其辛烷值较高，而美国和日本则以催化重整与催化裂化为主，辛烷值较低。我国以催化裂化为主，最低辛烷值要求为RON=90，与美国和日本相近。我国应制定什么样的辛烷值要求，是一个值得研究的问题。国外针对辛烷值问题开展了一些研究工作[1-5]。日本清洁空气项目（JCAP）结果表明，提高汽油辛烷值，并同时提高发动机的压缩比，可以改善燃油经济性，例如将辛烷值从90提高到95，可以改善油耗3%～4%左右[1]。日本JOMO（矫马）研究表明，辛烷值高于95后对动力性和排放都没有影响[2]。Cosmo（科斯莫）在一台分层汽油缸内直喷（GDI）发动机上研究结果表明，将辛烷值从90降到74，可以提高指示热效率3%[3]。还有研究者发现燃用辛烷值过高的汽油，不但对发动机没有带来益处，反而使得发动机在部分负荷时的燃油消耗率增加[6]。另外，从炼油工业角度来说，辛烷值越高，原油产能率越低，成本越高，这也是需要给予考虑的因素。因此，很有必要研究辛烷值对现代汽油机的影响，为合理制定我国未来汽油标准的辛烷值要求提供依据。

1试验方法和测试装置

试验在一台满足欧IV排放标准的汽油机上进行，发动机的主要技术参数见表1。

表1 发动机的主要技术参数

型号直列，四冲程，水冷，自然吸气

缸数 4

缸径×行程82.5mm×92.8mm

排量 1.984L

压缩比10.3:1

试验中用到的三种标号的汽油，90号、93号和97号，经测试其主要指标见表2。

表2 试验用油的主要指标

名称 90号 93号 97号

研究法辛烷值90 93.9 97 氧含量%(wt) 0 0.24 1.8 密度(20ºC) (g/cm3) 0.722 0.722 0.746 初馏点(ºC) 41 41 36 10%蒸发温度(ºC) 61 61 58 50%蒸发温度(ºC) 95 95 96 90%蒸发温度(ºC) 163 163 150

由于发动机装有爆震传感器，因此对不同油品进行试验时，由发动机ECU自行控制点火提前角。试验中通过Kistler6125B型火花塞式缸压传感器测量示功图，并据此计算燃烧放热率。通过A VL公司的CEB-Ⅱ排放分析仪测量CO、THC和NO X排放，试

作者简介：沈义涛(1982－)，男，博士研究生，籍贯：湖北省潜江市，研究方向：燃料品质与排放控制。资助项目：北京市重大项目“满足欧Ⅳ排放标准的清洁燃油组成与排放关系的研究”

E-mail: shenyt03@

验中所测排放均为发动机出口排放。

2 性能试验结果及分析

2.1 动力性 三种不同辛烷值汽油在外特性中的动力性表现如图1所示。从图可以发现，在4000r/min 转速以下，97号汽油的动力性要明显好于其它两种标号汽油，其转矩最大升高了4.6%，93号汽油在部分工况点也好于90号汽油，转矩升高1%～2%。在高于4000r/min 后，三种标号汽油的动力性无差别，这说明在该机上燃用高标号汽油对提高动力性有一定作用。由于97号汽油的抗爆性好， 因此燃烧97号汽油的点火提前角明显早于其它两种标号汽油，最大时能相差5ºCA ，如图2所示，从而使得该标号汽油的燃烧更加靠近上止点，提高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。在高转速时，点火提前角接近，因此输出功也接近。

T q (N .m )

n(r/m)

图1 外特性转矩

n(r/m)

S p a r k A d v a n c e (o

C A )

图2 外特性点火角

2.2 燃油经济性 在外特性工况下，三种不同辛烷值汽油的燃油消耗率对比情况如图3所示。中低转速阶段，90号汽油的油耗高于其它两种标号汽油，最大时有效燃油消耗率相差达到4%。在高转速阶段，97号汽油的油耗平均高于其它两种标号汽油5%左右，而就整个转速范围而言，93号汽油的经济性优于其它两种标号汽油。由此可见，在不同的转速工况下，辛烷值对经济性的影响效果不同，在低转速高负荷时，爆震倾向相对严重，因此辛烷值高，爆震被抑制，对燃烧有利，从而提高了经济性；在高转速时，由于爆震倾向相对较弱，利用高辛烷值抑制爆震强度的作用体现不出来，不同辛烷值所对应的点火提前角差别不明显，而此时高辛烷值会导致燃烧推迟，恶化燃烧过程，降低发动机的热效率和燃油经济性。

综上所述，对该发动机而言，高标号汽油和低标号汽油对燃油经济性都不利，只有燃用93号汽油时才是最优的。如果考虑燃料成本，则对该发动机而言，燃用97号高标号汽油时的经济性最差。推广来说，对每款发动机，都存在一个最优的辛烷值要求，如果高于此要求值，则是不合理的。