汽油發(fā)動機技術與選用高標號汽油的建議

崔永勝

〔中國石化銷售有限公司油品技術研究所 天津 300384〕

汽油發(fā)動機技術與選用高標號汽油的建議

崔永勝

〔中國石化銷售有限公司油品技術研究所 天津 300384〕

介紹了新型汽油發(fā)動機使用的增壓技術、直噴技術、可變氣門正時技術、發(fā)動機壓縮比與汽油抗爆性以及國內外汽油標號等相關知識，根據(jù)不同發(fā)動機技術特點，給出了正確選用高標號汽油的建議。

汽油發(fā)動機 技術 介紹 高標號汽油 選用 建議

目前，有些石油銷售企業(yè)的加油站正在推廣銷售98號車用汽油(或者更高標號汽油)，這類汽油辛烷值高，適合裝配高壓縮比發(fā)動機的汽車使用，加油站推薦高壓縮比或者發(fā)動機帶“T”(渦輪增壓器)的車輛使用。

汽車裝配1.8T、2.0T、3.0 T等類型發(fā)動機的車主去加油的時候加油站經常會建議使用高標號汽油，而這些車平時可能使用95號(或者92號)汽油，因此車主感覺疑惑，不能判斷這種建議是否科學合理，本文通過介紹發(fā)動機增壓技術、直噴技術、可變氣門正時等技術和發(fā)動機壓縮比等知識，詳細說明其中的道理，以便使用戶和工作人員做出正確判斷，指導科學用油。

1 增壓技術

汽車上的1.8T、2.0T或者3.0T之類的標識中，“T”表示渦輪增壓，是英文“Turbo charger”的縮寫，說明該車的發(fā)動機為渦輪增壓發(fā)動機，該種發(fā)動機配備了渦輪增壓器。渦輪增壓器是一種空氣壓縮機，將空氣預先壓縮后再進入氣缸，通過增加空氣壓力，增加空氣密度，實現(xiàn)增加氣缸進氣量。渦輪增壓器一般為廢氣渦輪增壓器，廢氣渦輪增壓器裝有渦輪和葉輪，它利用發(fā)動機排出的廢氣慣性沖力來推動增壓器上的渦輪轉動，渦輪又帶動同軸的葉輪，葉輪壓送空氣，使之增壓進入氣缸。參見圖1。

圖1 廢氣渦輪增壓器原理示意圖

渦輪增壓技術在不改變發(fā)動機氣缸排量，不改變發(fā)動機設計的條件下，增大氣缸中空氣的吸入量，這時行車電腦(ECU)會自動匹配噴射更多的汽油參與燃燒，增加了發(fā)動機的輸出功率和轉速，與同排量的一般發(fā)動機相比功率與扭矩大約都提高10 %。一般情況下，當渦輪增壓器正常運轉時，1.8T發(fā)動機大體相當于2.4 L發(fā)動機的功率，而油耗量小于 2.4 L發(fā)動機；2.0T發(fā)動機大體相當于2.6 L發(fā)動機的功率，而油耗量小于 2.6 L發(fā)動機；3.0T發(fā)動機大體相當于3.6 L發(fā)動機的功率，而油耗量小于 3.6 L發(fā)動機；以此類推。

渦輪增壓技術是汽油發(fā)動機進氣增壓技術中最常用的一種，除此還有機械增壓、復合增壓和氣波增壓等不常用技術。

由此可見，渦輪增壓技術屬能使發(fā)動機增加輸出功率而降低相對油耗的設計。由于此系統(tǒng)不改變發(fā)動機氣缸原有尺寸，是否使用渦輪增壓器和發(fā)動機壓縮比參數(shù)沒有直接關聯(lián)。

2 進氣道噴射技術與缸內直噴技術

目前，汽油發(fā)動機供油系統(tǒng)有單獨使用進氣道噴射技術(PFI)或者單獨使用缸內直噴技術(GDI)或者同時采用兩種技術。

2.1 進氣道噴射技術

進氣道噴射技術是將汽油噴射至進氣歧管，汽油在此與空氣混合后形成混合氣一起進入氣缸燃燒做功，這種噴射形式也被稱為電控噴射技術，其油氣混合形成情況參見圖2。進氣道噴射技術設計和制造都很成熟，成本較低，應用廣泛。電控噴射系統(tǒng)中行車電腦(ECU)會隨時探測發(fā)動機溫度、進氣量、轉速變化、震動狀況，并隨之調整供油量與點火時間、空燃比，因此在動力輸出、燃油經濟性與排放水平方面較好。

圖2 進氣道噴射技術混合氣形成情況

電控噴射技術根據(jù)發(fā)動機的動力狀況選擇最優(yōu)的氣門重疊角，確保動力曲線保持理想的形狀。為了增加發(fā)動機進氣量，提高燃油效率，從早期的單點噴射，演化至多點噴射，氣門數(shù)量從2個增加至4個或者5個。目前，電控噴射技術與VVT可變氣門技術組合使用的發(fā)動機是最先進電噴發(fā)動機。進氣道噴射發(fā)動機相對缺點是燃燒效率低，燃油經濟性差，有害氣體排放多。

2.2 缸內直噴技術

缸內直噴技術是將燃油噴嘴安裝于發(fā)動機氣缸內，直接將汽油通過高壓噴油器噴入氣缸內，空氣單獨從歧管進入發(fā)動機氣缸，行車電腦(ECU)能夠精準控制噴油量和進氣量，空氣與燃油在氣缸內混合，混合氣形成情況見圖3。氣缸內油氣混合氣比較稀薄，低負荷工況時空燃比可以達到40∶1以上(一般進氣道噴射發(fā)動機的空燃比大約為15∶1)，可實現(xiàn)稀薄混合氣分層燃燒，從而無需關小節(jié)氣門來限制進氣量，基本上避免了發(fā)動機在換氣過程中的泵氣損失，有利于降低燃油消耗。在高空燃比情況下，由于混合氣物性的改變、絕熱指數(shù)的增加以及混合氣分層致使熱損失減少，使得發(fā)動機的熱效率進一步提高。由于汽車發(fā)動機經常在低負荷工況下運行，分層混合氣燃燒的直噴式汽油機可使平均燃油耗降低15%～20%。燃燒在燃燒室中央進行，周圍有隔熱的空氣層而減少了壁面熱損失，同時使全負荷時的爆震傾向降低，因而發(fā)動機能夠以較高的壓縮比運行，為發(fā)動機設計和制造提高壓縮比和采用增壓技術創(chuàng)造了有利條件。缸內直噴技術與渦輪增壓器同時使用的系統(tǒng)稱為渦輪增壓直噴系統(tǒng)(TGDI或TSI)。缸內直噴渦輪增壓技術可提升發(fā)動機的燃燒熱效率，提高功率，降低耗油量，渦輪增壓系統(tǒng)產生的進氣渦流可在短時間內更好地使燃油霧化，促進混合氣充分燃燒，從而間接實現(xiàn)節(jié)省燃油。

圖3 缸內直噴技術混合氣形成情況

稀薄燃燒技術是指混合氣中的汽油比例低、空氣比例高的燃燒形式, 燃料分層噴射技術(FSI)是發(fā)動機稀燃技術，TFSI就是帶渦輪增壓分層噴射技術，是將汽油通過高壓油泵直接噴入燃燒室，在空氣進氣道中產生可變渦流，使進氣流形成最佳的渦流形態(tài)進入燃燒室，以分層填充的方式推動，使混合氣集中在位于燃燒室中央的火花塞周圍，油氣混合比達到25∶1以上。按照常規(guī)點火方式無法點燃，通過缸內空氣的運動在火花塞周圍形成易于點火的濃混合氣，混合比達到12∶1左右，外層逐漸稀薄，濃混合氣點燃后，燃燒迅速波及外層。分層燃燒過程中燃燒是分濃度梯度的，燃燒區(qū)中心的混合氣濃度較高，燃燒區(qū)域外圍空氣較多，利用“氣多油少”的條件，最后實現(xiàn)“完全燃燒”，所以燃燒效率高。要想達到這種理想狀態(tài)，必須使用抗爆震性能好的汽油，汽油不能在火花塞還沒有點火前，在氣缸內高溫的作用下自燃，從而產生爆震。

常見FSI發(fā)動機按照發(fā)動機負荷工況，基本上有兩種運行模式。在低負荷時為分層稀薄燃燒，在高負荷時為均質理論空燃比(14.6～14.7)燃燒，這兩種運行模式中，汽油的噴射時間不同。在高負荷中所進行的均質理論空燃比燃燒中，汽油在進氣沖程中噴射。理論空燃比的均質混合氣易于燃燒，不需借助渦流作用，進氣阻力小。由于直噴發(fā)動機提高了壓縮比，即使在均質理論空燃比混合氣燃燒中，仍能降低燃油消耗。在低負荷與高負荷之間的運行模式中，燃油在進氣沖程噴射，產生能加速稀薄混合氣燃燒的縱渦流。與均質理論空燃比燃燒不同的是，吸入空氣量超過燃油的噴射量。

采用缸內直噴技術的發(fā)動機，在發(fā)動機啟動和低溫運轉條件下的碳氫化合物、顆粒物，中小負荷下的氮氧化物的處理增加了技術難度和成本。

2.3 缸內直噴加進氣道噴射技術

采用缸內直噴加進氣道噴射技術的發(fā)動機，是將進兩種技術組合在一起，主要目的是提高發(fā)動機燃油經濟性和減少發(fā)動機有害尾氣排放，兩種噴射方式交替工作能彌補兩種技術各自的缺點，發(fā)揮自己技術的優(yōu)點。

3 其他發(fā)動機技術的進步

在全球日益嚴重的能源和環(huán)境危機情況下，要求汽車發(fā)動機節(jié)能減排技術、燃油經濟性等方面有新的突破，因此各種新技術、新材料和新工藝不斷出現(xiàn)。多點電子燃油噴射、多氣門、渦輪增壓、可變氣門正時、缸內直噴等新技術能夠提高燃油經濟性；使用氧傳感器，三元催化轉化器，廢氣再循環(huán)等工藝技術可以盡量降低環(huán)境污染；發(fā)動機鑄造材料也向輕量化方向發(fā)展，全鋁發(fā)動機已經廣泛應用；汽車發(fā)動機設計制造工藝也得到了長足發(fā)展，電子控制技術進展迅猛并得到了廣泛的應用，幾乎所有技術都離不開精密電子控制技術。下面列舉其中的幾種技術。

3.1 發(fā)動機可變氣門正時技術

發(fā)動機可變氣門正時(VVT，Variable Valve Timing的縮寫)技術是發(fā)動機能夠調整進氣門、排氣門開合時間及角度，從而控制進排氣量。通過控制最佳進氣量，能夠提高燃燒效率，節(jié)省燃油，缺點是有些工況下輸出扭矩不足。

3.2 缸內直噴

科研人員通過研究發(fā)動機的燃燒機理和燃燒模型，設計與燃燒吻合度高的燃燒室和燃燒方式，通過采用分層燃燒、稀燃等技術，來控制汽車發(fā)動機的燃燒進程。一般來說，應用了缸內直噴技術的發(fā)動機要比同排量的多點噴射發(fā)動機的峰值功率大約提升10 %，而峰值扭矩最多提升10 %，這樣的質變，靠電噴發(fā)動機增加氣門技術是難以達到的。

3.3 渦輪增壓缸內直噴

別名地丁、地丁草、紫花地丁、小雞菜、扁豆秧，為罌粟科植物紫堇的干燥全草，夏季花果期采收，除去雜質，曬干。主要分布于遼寧、河北、內蒙古、山東、山西、陜西、甘肅、寧夏等。

加入渦輪增壓器后的增壓直噴發(fā)動機(TSI)與普通直噴技術相比，在同等排量下實現(xiàn)了動力性和燃油經濟性的結合，是目前發(fā)動機技術中較為成熟的燃油直噴技術，并引領了汽油發(fā)動機的發(fā)展趨勢。

3.4 直噴發(fā)動機可變進氣道技術

TSI發(fā)動機采用電子系統(tǒng)控制空氣流量，在進氣方面實現(xiàn)了無節(jié)流變道調節(jié)，提高了充氣效率，從而獲得更高的升功率，發(fā)動機的動態(tài)響應也變得更直接有效。缸內直噴發(fā)動機的燃燒室、活塞也大多具有特殊的導流槽，以供油氣在進入燃燒室后能夠產生氣旋渦流，來提高混合油氣的霧化效果與燃燒效率。

3.5 提高壓縮比

相同排量，壓縮比越高的發(fā)動機，它的動力表現(xiàn)越強大，相應的節(jié)能效果越明顯。例如大眾、奧迪TFSI缸內直噴發(fā)動機的壓縮比達到了10.3∶1和10.5∶1，凱迪拉克SIDI缸內直噴發(fā)動機的壓縮比達到了11.3∶1等。

3.6 新技術組合使用

發(fā)動機通過渦輪增壓、多氣門、可變正時器等技術來提高燃燒效率，提高發(fā)動機功率，降低耗油量。發(fā)動機新技術可能單獨使用，也可將兩種技術或者多種組合使用，比如：多點電噴射技術與多氣門和可變氣門正時組合使用。缸內直噴與可變氣門正時組合使用；缸內直噴與渦輪增壓技術組合使用；缸內直噴、渦輪增壓技術和可變氣門正時技術組合使用等等。

3.7 點火提前角調整技術

新型汽油發(fā)動機基本都采用了點火提前角調整裝置或者爆震傳感器技術，在發(fā)動機使用不同辛烷值的汽油時，為適應不同汽油抗爆性能的變化和保護發(fā)動機，自動調節(jié)裝置能夠改變點火時間。點火提前角過大，易產生爆震而降低功率；點火提前角過小，排氣溫度升高而功率降低。發(fā)動機設計時會設計出最佳點火提前角，同時應匹配使用標號最適合的汽油，使發(fā)動機獲得最佳動力、燃油經濟性能和最佳排放性能。

4 發(fā)動機壓縮比與汽油抗爆性

發(fā)動機壓縮比是指氣缸總容積與燃燒室容積的比率，表示混合氣體壓縮的程度。汽油機的壓縮比通常在8～12之間，新型的高壓縮比汽油機一般為10～12左右，少數(shù)高級跑車發(fā)動機壓縮比可以達到13～14。

一般來說，發(fā)動機壓縮比越高，油氣混合氣燃燒時的壓力和溫度也越高，發(fā)動機功率就越大，相對低壓縮比發(fā)動機油耗就越低。表1中給出了汽車發(fā)動機壓縮比與功率、油耗相關性的比較。

表1 汽車發(fā)動機壓縮比與功率和耗油率的關系 %

由表1可以看出發(fā)動機壓縮比越高，運行過程氣缸的壓力和溫度就越高，熱效率越高。提高汽車發(fā)動機壓縮比可增加發(fā)動機的熱效率(有效功率)，降低油耗，而壓縮比的提高受到發(fā)動機氣缸材料、發(fā)動機結構和汽油抗爆性能的限制，在發(fā)動機氣缸材料允許的條件下不斷增加發(fā)動機壓縮比，同時匹配高標號汽油是提高熱效率，降低油耗的最直接途徑。

4.2 汽油抗爆性

辛烷值是表示汽油抗爆性能的單位。汽油標號越高，就說明抗爆性能越好，越不容易產生爆震?；旌蠚庠诒粔嚎s過程中，火花塞還沒有點火時，高壓混合氣達到了自燃溫度，開始猛烈且不正常的燃燒現(xiàn)象，叫作爆震。使用合適標號的汽油是防止發(fā)動機爆震的有效方法之一。

汽油辛烷值的測定是以異辛烷和正庚烷為標準燃料，在實驗室標準單缸汽油機上用對比法進行的。辛烷值有以下幾種：

研究法辛烷值(RON)在發(fā)動機在600± 6 r/min轉速條件下測定。該方法代表發(fā)動機一般加速情況下低速運轉時汽油的抗爆性。

馬達法辛烷值(MON)在發(fā)動機在900± 9 r/min轉速，進氣溫度較高條件下測定。該方法代表發(fā)動機重負荷條件下高速運轉時汽油的抗爆性。因為測定條件比研究法苛刻，所以馬達法辛烷值比研究法辛烷值低。

抗爆指數(shù)是研究法辛烷值和馬達法辛烷值和的1/2，更能綜合表示汽油的抗爆性。

道路法辛烷值也就是行車辛烷值，用汽車進行實測或在全功率試驗臺上模擬汽車在公路上行駛的條件進行測定。道路辛烷值也可用馬達法和研究法辛烷值按經驗公式計算求得。馬達法辛烷值和研究法辛烷值的平均值稱作抗爆指數(shù)，它可以近似地表示道路辛烷值。

5 國內外汽油標號的情況

5.1 歐美等發(fā)達國家

歐洲主要使用95號、98號汽油，95號汽油使用最為普遍，產銷量也最大，這兩種汽油標號都是按照研究法辛烷值劃分的，大體相當于我國大陸地區(qū)使用的95號、98號汽油。

美國使用87號、89號、91號、93號汽油，這些汽油是按照抗爆指數(shù)劃分的。美國87號、89號、93號汽油分別大體相當于我國的92號、95號、98號汽油。

日本汽油標號是按照研究法辛烷值劃分的，分為96號、89號汽油。

5.2 我國汽油標號情況

目前，汽油國家標準GB17930《車用汽油》標準中按照研究法辛烷值劃分為89號、92號、95號、98號汽油。

我國汽車發(fā)動機技術主要來自歐美、日本等國家和地區(qū)，這些先進技術的汽車發(fā)動機要有相應的汽油與之匹配才能充分發(fā)揮動力性能。我國汽油經過多次質量升級，目前質量水平已經達到歐美日等發(fā)達國家和地區(qū)質量水平，因此，按照相關規(guī)定科學合理選用汽油，完全能發(fā)揮發(fā)動機的動力性能。

6 討論與建議

(1)為了降低燃油消耗，增強輸出動力，降低有害氣體排放，改進駕乘感受，發(fā)動機不斷應用新技術，新型發(fā)動機大多都被設計成直噴高壓縮比發(fā)動機，渦輪增壓直噴高壓縮比發(fā)動機是汽油發(fā)動機發(fā)展的趨勢。

(2)高壓縮比的發(fā)動機使用較低標號汽油時通過推遲點火可以減輕和消除爆震，沒有高標號汽油的情況下可以臨時使用低標號汽油，但長時間使用或者想要發(fā)揮出發(fā)動機原設計性能時還是要選用合適標號的汽油。

(3)選擇汽油標號的最重要依據(jù)是發(fā)動機壓縮比。一般新型汽油發(fā)動機壓縮比一般都在9以上，建議根據(jù)發(fā)動機縮比具體數(shù)值選用汽油，壓縮比大于9.5的車建議使用95或者98號汽油。高壓縮比發(fā)動機使用高標號汽油能夠滿足汽車設計性能要求，不但增強動力，而且可以適當降低油耗。

(4)裝配缸內直噴型式發(fā)動機的汽車，壓縮比一般都高，普遍大于9.5，大多數(shù)發(fā)動機壓縮比都接近或者超過10，有些發(fā)動機甚至達到了11～12，建議選用98號汽油，這類發(fā)動機也同時加裝了渦輪增壓器，因此，建議這類帶渦輪增壓器直噴發(fā)動機的車輛選用98號汽油。

[1] 周龍保.內燃機學[M].北京：機械工業(yè)出版社，1998.

[2] 張濱友.汽車燃料和潤滑劑[M].北京：北京理工大學出版社，2003.

[3] 馮健璋.汽車發(fā)動機原理與汽車理論[M].北京：機械工業(yè)出版社，2011.

[4] 楊慶彪.汽油直噴發(fā)動機結構與檢修[M].北京：中國勞動社會保障出版社，2010.

[5] 劉崢, 王建昕等.汽車發(fā)動機原理[M].北京：清華大學出版社，2011.

[6] 國家環(huán)境保護總局.國家質量監(jiān)督檢驗檢疫總局.GB17691-2005車用壓燃式、氣體燃料點燃式發(fā)動機與汽車排氣污染物排放限值及測量方法(中國Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ階段)[S].北京：中國環(huán)境科學出版社，2005.

[7] 國家質量監(jiān)督檢驗檢疫總局.國家標準化管理委員會.GB17930-2013.車用汽油[S].北京：中國標準出版社，2013.

[8] 世界燃油規(guī)范 第五版.

2016-12-26。

崔永勝(1980-)，男，畢業(yè)于天津科技大學高分子材料與工程專業(yè)，大學本科，高級工程師。2003年開始至今一直從事成品油質量管理，油品檢測技術，油品和燃油添加劑應用研究與開發(fā)，汽車養(yǎng)護化學品應用研究與開發(fā)等工作。