車用汽油油品質(zhì)量分析

周震杰

(上汽大眾汽車公司，上海 201805)

車用汽油油品質(zhì)量分析

周震杰

(上汽大眾汽車公司，上海 201805)

根據(jù)2013—2014年度車用汽油中國市場第三方試驗室調(diào)查報告，分析目前中國車用汽油質(zhì)量中存在的問題以及對汽車使用質(zhì)量的影響，同時對提高中國車用汽油質(zhì)量水平提出了一些建議。

汽車 汽油 質(zhì)量

0 引言

隨中國汽車生產(chǎn)和消費大幅增加，帶來環(huán)境安全問題，霧霾天氣地區(qū)和持續(xù)時間增加，同時石油進口依存度增加，帶來能源安全問題。

2012年6月28日，國務(wù)院發(fā)布《節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃2012-2020年[1]》，明確了我國汽車節(jié)能標準的整體目標，要求2020年乘用車新車平均燃料消耗量達到5.0 L/100km。2013年9月17日，環(huán)保部發(fā)布《輕型汽車污染物排放限值及測量方法(中國第五階段)[2]》，要求2017年1月1日起全國機動車將全面執(zhí)行國五排放標準。2016年12月23日，環(huán)保部發(fā)布《輕型汽車污染物排放限值及測量方法(中國第六階段)[3]》，要求自2020年7月1日起，所有銷售和注冊登記的輕型汽車應(yīng)符合本標準6a限值要求，自2023年7月1日起，所有銷售和注冊登記的輕型汽車應(yīng)符合本標準6b限值要求。

汽油質(zhì)量是達到排放和油耗國家標準的基礎(chǔ)，國務(wù)院印發(fā)《大氣污染防治行動計劃》要求，加快石油煉制企業(yè)升級改造，提升燃油品質(zhì)。2017年底前，全國供應(yīng)符合“國五”標準的車用汽、柴油；并根據(jù)國務(wù)院常務(wù)會議確定，將全國供應(yīng)符合國5標準車用汽柴油的時間由原定的2018年1月，提前至2017年1月。目前，國六汽油標準已完成征求意見稿，規(guī)劃與國六排放標準適時同步執(zhí)行。

1 汽油標準和檢測

表1列出中國汽油國標GB-17930-2013普通汽油，GB18351-2013-E10乙醇汽油，歐盟標準EN228-2013，世界燃油規(guī)范標準(WWFC)檢測項目和控制要求。

以下所涉及的汽油樣品分析數(shù)據(jù)來自第三方實驗室全國汽油質(zhì)量調(diào)查數(shù)據(jù)(2013冬季，2014夏季)，數(shù)據(jù)經(jīng)過分析整理，圖表中樣品代號G14S-92號，E13W-97號含義解釋，G為普通汽油，E為乙醇汽油，14/13代表年份，S代表夏季，W代表冬季，92號、97號表示汽油標號。

2 數(shù)據(jù)分析

2.1 辛烷值

目前，世界各國基本都使用研究法辛烷值(RON)數(shù)值定義汽油牌號，歐盟標準直接使用馬達法辛烷值(MON)和研究法辛烷值(RON)作為控制要求，例如95號汽油要求RON大于95，MON大于85。國標采用美國標準方式，使用研究法辛烷值和抗爆指數(shù)(AI=(RON+MON)/2)作為控制要求。

根據(jù)第三方實驗室全國汽油質(zhì)量調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，國四汽油個別樣品RON不合格，有標號以低充高現(xiàn)象，國五汽油樣品全部合格，國四汽油中93號樣品的抗爆燃指數(shù)大部分合格，97號國標沒有抗爆燃指數(shù)要求，大部分樣品的檢測數(shù)值不符合潛在的質(zhì)量要求(圖1)，國五增加95號汽油的抗爆燃指數(shù)要求，樣品檢測數(shù)值符合國標要求。

圖1 國四汽油抗爆燃指數(shù)值

樣品中的MON數(shù)值偏低，尤其高標號汽油，煉油廠通過提高RON數(shù)值來提升抗爆燃指數(shù)，國五汽油標準禁用甲基環(huán)戊二燃三羰基錳(MMT)后，采用直接降低汽油標號措施達到滿足辛烷值要求。

表1 燃油標準要求

研究試驗結(jié)果，提高汽油辛烷值，可以不同程度減少排放和降低油耗[4]，標號增加一個等級，燃油耗降低1%左右。WWFC研究報告結(jié)果，使用95號汽油取代91號，燃油耗降低約3%，增壓發(fā)動機使用95號以上等級汽油，可以規(guī)避爆燃，提高熱效率，減少排放。汽油標號將逐步取消低標號品種，WWEC-C5等級只設(shè)置95號、98號類別。

2.2 辛烷值添加劑

中國禁止汽油添加汽油抗爆劑四乙基鉛后，為達到提升汽油產(chǎn)品辛烷值要求，開始使用MMT作為替代物，部分國四樣品錳含量檢測結(jié)果不合格(圖2)，國五樣品錳含量檢測結(jié)果全部合格。

圖2 國四汽油錳含量

MMT使用對汽車排放處理系統(tǒng)有損害，上汽大眾相關(guān)失效分析顯示，長期使用添加MMT的汽油后，燃燒系統(tǒng)的火花塞、氧傳感器、三元催化轉(zhuǎn)化器表面出現(xiàn)明顯的棕色物質(zhì)(圖3)[5]。

圖3 MMT對汽車排放處理影響

因此，汽油國家標準對于MMT控制要求逐步提高，國三小于16×10-6，國四小于8×10-6，國五小于2×10-6，且明確不允許添加MMT。

2.3 硫含量

國五樣品硫含量符合小于10×10-6要求，與國際先進標準要求同步；國四樣品硫含量部分樣品硫含量超過小于50×10-6要求(圖4)，且8個樣品檢測值超100×10-6。

圖4 國四汽油硫含量示意圖

WWFC研究報告顯示使用高硫含量燃油會增加碳氧化合物(HC)排放(圖5)，使用高硫含量會延長催化轉(zhuǎn)化器起動時間和溫度，減少轉(zhuǎn)化效率，無法達到歐三和歐四排放要求，即10萬km轉(zhuǎn)化率高于93%和97%，使用高硫含量影響氧傳感器效率1.5倍，使用高硫含量影響分層燃燒技術(shù)應(yīng)用，NOx轉(zhuǎn)換器優(yōu)先與硫反應(yīng)。

圖5 硫含量和HC轉(zhuǎn)化效率

國五汽油樣品達到烯烴和芳烴含量要求，其中烯烴樣品檢測結(jié)果同時滿足歐盟EN228標準要求(小于18%)，國四汽油樣品基本達到相應(yīng)國四標準烯烴和芳烴含量要求，但無法滿足歐盟EN228標準要求。

圖6 國五汽油芳烴、烯烴含量

WWFC研究報告顯示，烯烴燃燒后生成有毒二烯烴促進臭氧生成，根據(jù)美國3個城市的研究試驗結(jié)果，烯烴含量從20%降到5%，臭氧也有下降，烯烴對臭氧形成貢獻度是13%～25%，且70%影響來源于低分子烯烴。

①為了符合原著本意，本文仍沿用原著中的非法定單位——編注。

減少汽油芳烴含量，可以減少發(fā)動機燃燒室積碳。US AQIRP試驗程序結(jié)果，芳烴含量由45%下降到20%，可以減少排放中28%的致癌苯系化合物。苯屬于芳烴組分之一，有強烈的致癌特性，汽油生產(chǎn)、運輸、加注和排放中不可避免有苯揮發(fā)，因此汽油標準苯含量單獨列出控制，目前國標要求小于1%(國五)，與國際先進水平一致，樣品檢測數(shù)據(jù)結(jié)果基本符合要求。

2.5 汽油蒸氣壓

國五汽油標準蒸氣壓控制要求相對國四限值都有所加嚴，國四部分乙醇汽油夏季和冬季樣品都超過了上限，國五有1個樣品超過冬季下限要求。各組樣品平均值對比分析(圖7)，無論夏季和冬季，國五樣品的檢測平均值相比國四樣品都有所下降。

圖7 樣品汽油蒸氣壓平均值

汽油蒸氣壓檢測汽油揮發(fā)性能，汽油要有合適揮發(fā)性能，過低導(dǎo)致低溫起動困難，排放增加；蒸氣壓過高在夏季高熱產(chǎn)生氣阻，導(dǎo)致碳管過載，且先期揮發(fā)過多，重組分增加，因此汽油蒸氣壓數(shù)值要控制合理的范圍。

國標對比歐盟(圖8)汽油蒸氣壓按地區(qū)和氣候特點分類要求，國準僅考慮季節(jié)因素，忽略地區(qū)因素，不利于節(jié)能環(huán)保。

2007年以來，寧夏引黃灌區(qū)采取“小步快跑、逐步到位”方式，連續(xù)2次調(diào)整農(nóng)業(yè)供水價格，極大促進了水資源的可持續(xù)利用。超定額水價政策的實行，水價杠桿作用的發(fā)揮，使“水是商品”的理念深入人心。協(xié)會組織的建設(shè)，進一步提高了灌溉管理水平，支斗渠用水效率得到了大幅提升。2011年寧夏引黃灌區(qū)累計引水64.6億m3，較2005年減少7.5億m3，較實施統(tǒng)一調(diào)度的1999年減少23.2億m3，在全國節(jié)水型社會建設(shè)中發(fā)揮了重要的引領(lǐng)、帶動和示范作用。

圖8 歐盟汽油蒸氣壓要求

2.6 汽油餾程

汽油餾程用于分析汽油各餾分的組成，檢測一定蒸發(fā)體積量時對應(yīng)的溫度，國標要求控制T10(10%蒸餾時溫度)、T50、T90、干點和殘留體積，僅對設(shè)定體積的蒸發(fā)溫度上限有要求，餾程試驗結(jié)果基本符合國標要求。

EN228是檢測不同的溫度點對應(yīng)的體積，對設(shè)定溫度(E70，E100)的蒸發(fā)體積有高/低限控制要求，這樣可以控制合適的輕組分。相同樣品按照EN228試驗要求，則部分樣品試驗結(jié)果不符合其要求(圖9、圖10)。

圖9 E70(70°蒸發(fā)體積)

圖10 E100(100°蒸發(fā)體積)

2.7 汽油氧化安定性

誘導(dǎo)期檢測以氧化為主的膠質(zhì)形成過程，適用于催化裂化汽油，對聚合和縮合為主的膠質(zhì)形成的汽油不適用，芳烴含量為主的汽油可用實際膠質(zhì)項目評價參考。除極個別數(shù)據(jù)達不到要求外，所有檢測結(jié)果均符合要求，這和我國目前汽油組分已改變催化為主狀況緊密相關(guān)。

2.8 汽油密度

密度檢測也是控制汽油組成方式之一，我國汽油國標從國五開始，將密度作為控制要求，控制范圍為720～775，這個要求主要是用于控制汽油重組分餾分，由于要提高柴汽比，因此汽油重組分餾分含量較少，相對密度值較低。實際檢測數(shù)據(jù)符合要求，密度檢測各組樣品平均值見圖11，高標號汽油密度平均值大于低標號。

圖11 各組樣品密度平均值

2.9 汽油腐蝕性能

汽油樣品的實際檢測數(shù)據(jù)均符合標準要求。

2.10 汽油實際膠質(zhì)含量

圖12 實際膠質(zhì)含量平均值

檢測樣品平均值見圖12，未清洗膠質(zhì)含量個別樣品檢測數(shù)據(jù)不合格，清洗后所有樣品膠質(zhì)含量符合標準要求，國五標準95號汽油平均膠質(zhì)含量高于92號汽油，國五汽油樣品平均膠質(zhì)含量高于國四汽油樣品。

2.11 汽油含水量

國標普通汽油含水量只有定性要求，乙醇汽油要求小于0.20%，樣品含水量平均值見圖13。

圖13 樣品含水量平均值

2.12 污染元素含量

國標無磷、硅、有機氯定量含量控制要求，第三方報告中對磷、硅、有機氯等污染元素進行分析，樣品基本不含磷，少量樣品硅和氯元素含量大于10×10-6，污染元素可能來自倉儲和輪船運輸環(huán)節(jié)。

上汽大眾在相關(guān)失效分析中發(fā)現(xiàn)使用含硅汽油后，氧傳感器和火花塞發(fā)生沉積和堵塞，白色物質(zhì)經(jīng)試驗分析是硅元素(圖14)。

圖14 氧傳感器和火花塞硅沉積

2.13 汽油清靜劑

汽油使用過程在噴嘴、節(jié)氣門和燃燒室部位產(chǎn)生積碳，使用燃油清靜劑可以防止和清除發(fā)動機積碳，減少尾氣排放，提高燃油經(jīng)濟性，但同時會增加燃燒室積碳。

中國在2004年10月發(fā)布國標GB19592，推薦加入汽油清靜劑，國家發(fā)改委在2008年12月發(fā)文取消加劑加價政策，鼓勵汽油零售商單獨銷售小包裝產(chǎn)品。

上汽大眾道路試驗結(jié)果，在間隔添加條件下，使用2 000×10-6濃度指定的汽油清靜劑，具有限的清潔能力和良好的保潔能力，對供油系統(tǒng)沒有負面作用，也沒有明顯的積極作用，火花塞和噴油器對比試驗情況，見圖15。

圖15 上汽大眾道路試驗結(jié)果

3 結(jié)論和建議

國五標準汽油樣品檢測結(jié)果表明，中國汽油產(chǎn)品質(zhì)量較國四標準樣品已有長足進步，其中以前存在主要問題(硫含量，烯烴含量，錳含量)指標達到國際發(fā)達地區(qū)標準要求，中國汽油高硫、高烯烴含量狀況已成為歷史，禁止加入MMT 保證汽車排放處理裝置能夠長時期有效工作，這3項指標要求的改進對大幅減少我國汽車排放污染有重要作用。

樣品分析結(jié)果表明國內(nèi)汽油芳烴和烯烴含量過高，烷基化成份較少，因此應(yīng)大力提高烷基化，異構(gòu)化組分比例，控制醚化汽油組分。這樣才能根本解決目前國內(nèi)汽油的馬達法辛烷值偏低問題，同時建議國標參照歐盟汽油標準，直接設(shè)置馬達法辛烷值控制要求，取消抗爆燃指數(shù)要求。

國五標準汽油標號設(shè)置89/92/95/98，其中98號汽油要求經(jīng)過各方努力終于由各企業(yè)標準轉(zhuǎn)化成國家標準，但標準把98號要求設(shè)置成標準附錄的原因未解釋(附錄與正文的產(chǎn)品要求承擔法規(guī)職責(zé)是否一致)。

研究結(jié)果表明，提高汽油標號可以降低油耗，相對減輕排放，WWEC-C5等級只設(shè)置95號，98號類別，國內(nèi)先期執(zhí)行國五排放要求的城市和地區(qū)取消89號汽油供應(yīng)。國家已公布汽油排放和油耗控制法規(guī)，但國五(甚至國六征求意見版)繼續(xù)保留設(shè)置89號產(chǎn)品目錄，不符合國家降低排放和油耗環(huán)保政策方向，建議取消汽油產(chǎn)品標準調(diào)整分類RON為91、95和98，國六B取消91號產(chǎn)品。

烯烴和芳烴含量對比歐盟要求(EN228)的分別小于18%和35%要求，WWFC-C4/C5分別小于10%和35%要求，還有較大差別。降低烯烴和芳烴含量也是國六汽油標準的主要提高指標。

國五對比于國四汽油標準，烯烴含量控制要求從小于28%加嚴到小于24%，樣品的檢測值都在18%內(nèi)(歐盟的要求)，國五汽油標準規(guī)定芳烴含量控制要求小于40%，沒有變化(特殊條款，95號在烯烴加芳烴總量不變前提下，允許芳烴小于42%)，樣品的檢測值顯示絕大部分都小于40%。

檢測結(jié)果表明，目前我國石油煉制企業(yè)產(chǎn)品完全有能力達到烯烴和芳烴含量更高控制要求，標準中烯烴含量和芳烴特殊條款實質(zhì)是降低標準的先進性，保護落后企業(yè)和技術(shù)。

使用燃油清凈劑可以防止和清除發(fā)動機積碳，減少尾氣排放，提高燃油經(jīng)濟性，因此可以參照WWFC，在汽油國標中增加相關(guān)試驗項目和要求，燃油生產(chǎn)企業(yè)可以直接在量產(chǎn)中添加，改變目前汽油清凈劑產(chǎn)品質(zhì)量良莠不齊。而用戶自行添加無法判別其有效性，監(jiān)管成本高。

[1] 國務(wù)院.節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃2012-2020年[Z].2012-06-28.

[2] 環(huán)保部.輕型汽車污染物排放限值及測量方法(中國第五階段)[Z].2013-09-18.

[3] 環(huán)保部.輕型汽車污染物排放限值及測量方法(中國第六階段)[Z].2016-12-23.

[4] 帥石金.車用燃料的品質(zhì)要求與高效清潔利用[C].中國汽車工程學(xué)會燃料和潤滑油分會第十五屆年會論文集，北京，2012(10)：99-119.

[5] 潘正堂，陶海龍.上海大眾三元催化轉(zhuǎn)換器失效分析研究報告[C].中國汽車工程學(xué)會燃料和潤滑油分會第十屆年會論文集，北京，2002(10)：201-210.