Como bien dice
@Atv365, la primera (y principal) diferencia es el octanaje.
No tengo ni idea de acerca de los estudios científicos de los que hablas, y habría que entrar a ver qué analizan y en qué circunstancias, pero, simplemente ciñendonos al octanaje (dejando a un lado los aditivos, que ya dependen de cada distribuidor, gasolinera y surtidor, y teniendo en cuenta que hay 95 y 98 normal y 'premium', entre las que sólo cambian los aditivos) para cualquiera que sepa qué es el octanaje sabrá que si le pones gasolina de 95 a un coche que requiera mayor octanaje (98, por ejemplo), estás dañando la mecánica, dado que se producen explosiones durante la compresión (los coches de 98 comprimen más y necesitan gasolina que aguante ese nivel de comprensión), y en cambio, si le echas 98 a un coche con motor que requiera menor octanaje (95, por ejemplo), no estás consiguiendo ningún efecto positivo (ni negativo) más allá de un mayor coste por litro de combustible.
Y ésto es así.
No necesitas un estudio científico que lo demuestre, es química en base a fórmulas y reacciones bien medidas y conocidas.
Coche de 95 y gasolina de 95: Bien
Coche de 95 y gasolina de 98: Bien, mas gasto sin beneficio
Coche de 98 y gasolina de 95: Problemas
Coche de 98 y gasolina de 98: Bien