車用M85甲醇烴類燃料的發(fā)動機性能試驗研究*

楊 丹，白國福，彭 芬，張海榮，熊 蓮，陳新德?

（1. 中國科學院廣州能源研究所，廣州 510640；2. 深圳市滌牌燃料開發(fā)有限公司，廣東 深圳 518109）

車用M85甲醇烴類燃料的發(fā)動機性能試驗研究*

楊 丹1，白國福2，彭 芬1，張海榮1，熊 蓮1，陳新德1?

（1. 中國科學院廣州能源研究所，廣州 510640；2. 深圳市滌牌燃料開發(fā)有限公司，廣東 深圳 518109）

本文介紹了一種醇烴燃料的制備方法，并對該醇烴燃料的排放特性、速度特性和負荷特性進行了試驗研究，探討了內燃機燃燒該醇烴燃料和92#汽油在動力性、經(jīng)濟性和尾氣排放三個方面的差異。研究結果表明，和92#汽油相比，該醇烴燃料的最大輸出功率略有增加：耗油率增加了5.5%～6.0%，尾氣中CO含量下降了95%～96.3%、HC含量上升了24%～27%。因此，從較低成本、CO含量降低等角度分析，該醇烴燃料可以部分或完全替代汽油。

醇烴燃料；內燃機；汽油機；臺架試驗

0 前 言

近年來，隨著能源、資源消耗量的不斷增大，加之石油資源緊缺，持續(xù)的工業(yè)化增長伴隨著車輛的廣泛使用，抵消了尾氣排放控制所取得的技術進展，國內已經(jīng)開始減少對石油的依賴[1]。我國的能源結構特點是煤多油少、地區(qū)分布不均衡，因此以煤為原料生產(chǎn)甲醇，再以甲醇代替汽油是改善能源結構的重要措施；特別是在少油地區(qū)，大力開發(fā)醇類燃料勢在必行。目前研究較熱的甲醇燃料成為新燃料的代表，是理想的石油替代品。

目前的汽車發(fā)動機代用燃料以甲醇汽油為主[2-5]，世界各國根據(jù)不同國情，研發(fā)了M3（在汽油里添加3%甲醇）、M5、M10、M15、M20、M50、M85等不同摻和比的甲醇汽油。然而低甲醇汽油組成中汽油仍占主要成分，導致甲醇汽油成本高，生產(chǎn)原料受到能源限制，且當汽油含量低于15%時，其制備過程會出現(xiàn)分層現(xiàn)象，導致甲醇汽油性能不穩(wěn)定，從而使汽車動力不足；如果使用高甲醇含量的甲醇汽油，不僅需要對汽車的燃料供應系統(tǒng)做改動[6]，同時存在點火難、冷啟動難等問題[7]。同時，汽油中含有的苯、烯烴、硫等對環(huán)境污染嚴重，降低燃料中的硫含量，改進汽油中苯、芳烴、烯烴等組成性質，不斷提高車用燃料質量，是擺在石油化工行業(yè)面前的一項刻不容緩的任務。

一般而言，醇類燃料由于醇類物質的高汽化潛熱及低飽和蒸氣壓將導致點火難、冷起動困難等問題，醇類物質低熱值使同等車況下油耗量增加。本論文針對以上問題，選用揮發(fā)度適中的戊烷做點火劑，以解決點火難、冷啟動困難等問題；添加對二甲苯來提高燃料的耐燒度，從而降低行車油耗量。需要指出的是，對二甲苯屬低毒物質，但由于添加量較低，安全隱患較??；對二甲苯和戊烷雖然價格較高，但添加量少，加之甲醇價格低廉，故醇烴燃料的成本較汽油低。

本文研制的車用醇烴燃料甲醇含量達到85%，無需更改汽車發(fā)動機等裝置可以直接使用，且該燃料性能穩(wěn)定，成本低，可以達到節(jié)約石油資源。將調配好的醇烴燃料，送往國家石油石化產(chǎn)品質量監(jiān)督檢驗中心（廣東）進行質檢。

1 實驗方法與裝置

原料甲醇、二甲苯、戊烷均為分析純，從國藥集團化學試劑有限公司購買，使用前未做任何處理。將甲醇、對二甲苯、戊烷按照85∶7.5∶7.5的質量配比稱量，進行混合，攪拌1 h后，沉淀、過濾，密封存放24 h即得車用醇烴燃料。通過在傳祺汽油發(fā)動機上分別燃用92#汽油和本文調配的醇烴燃料進行臺架性能對比試驗，考察該醇烴燃料尾氣排放性、速度特性試驗和負荷特性試驗，為評價醇烴燃料的性能提供實驗依據(jù)。臺架試驗在廣州機械科學研究院油品中心進行，所用的主要實驗儀器及設備見表1。

表1 臺架試驗主要儀器及設備Table 1 Main instruments and equipments of bench test

2 實驗結果與討論

2.1 M85醇烴燃料理化性能測試

表2 是M85醇烴燃料理化性能的檢測結果，可以看到，各項測試指標均優(yōu)于國標中的指標，尤其是硫含量、鈉含量、錳含量和膠質含量都遠遠低于國標中的指標含量。另外，M85醇烴燃料中甲醇含量較高，烴類含量較低，提高了醇烴燃料的含氧量，有助于燃料在內燃機中充分燃燒，進而可相應減少尾氣的排放量。因此，該醇烴燃料較汽油更清潔、更環(huán)保，是汽油和甲醇汽油等燃料的較佳替代品。

表2 M85車用醇烴燃料檢測指標及檢測結果Table 2 Testing index and results of M85 vehicle methanol-hydrocarbon fuel

2.2 怠速排放性能試驗

本實驗采用自由加速雙怠速法，按照GB/T 14951-2007標準進行排放性能試驗。其中怠速工況是指發(fā)動機無負載運轉狀態(tài)，即離合器處于接合位置，變速器處于空擋位置；油門踏板處于完全松開位置；高怠速工況指用油門踏板將發(fā)動機轉速穩(wěn)定控制在50%額定轉速。本標準將輕型汽車的高怠速轉速規(guī)定為2 500 ± 100 r/min。雙怠速檢測過程包括：發(fā)動機由怠速工況加速至70%額定轉速，維持運轉30 s后降至高怠速工況（輕型車2 500 ± 100 r/min）；尾氣分析儀取樣探頭插入排氣管400 mm深并固定；發(fā)動機維持高怠速15 s后，尾氣分析儀開始取值，讀取30 s內的最高值和最低值，取平均數(shù)為高怠速排放測試結果；發(fā)動機由高怠速工況降至怠速工況；待發(fā)動機維持高怠速15 s后，尾氣分析儀開始取值，讀取30 s內的最高值和最低值，取平均數(shù)為怠速排放測試結果。分別燃用M85醇烴燃料與92#汽油的汽車進行尾氣污染物的測試，結果見表3。尾氣排放數(shù)據(jù)顯示，高怠速條件下，內燃機燃燒醇烴燃料比燃燒92#汽油的CO排放量下降了96.3%，HC化合物增加了24%；低怠速條件下，CO排放量下降了95%，HC增加了27%。由檢測結果可以看出，燃燒車用M85醇烴燃料的尾氣排放中，HC含量有所升高，但CO排量顯著降低。

表3 M85醇烴燃料和92#汽油的排放情況Table 3 Exhaust emission of M85 methanol-hydrocarbon fuels and 92# gasoline

尾氣排放的NOx中，NO占95%以上，其在發(fā)動機高負荷工況時的高溫條件下產(chǎn)生，由空氣中的氧和氮結合而生成，在發(fā)動機溫度達800℃時，生成的NO濃度很高。在普通怠速情況下，發(fā)動機負荷低，氮氧結合慢，生成的NO濃度低，所以怠速條件下測NO意義并不大。因此，在雙怠速法測試排放污染物時，國家標準中并未給出NOx的排放限值，一般測試結果只給出CO和HC含量。

2.3 總功率對比試驗

發(fā)動機總功率對比試驗按照GB/T 18297-2001中總功率的規(guī)定進行，油門全開，在發(fā)動機工作轉速范圍內，依次改變轉速進行試驗。圖1和圖2是發(fā)動機在100%油門開度下，轉速在1500 r/min～4 000 r/min之間的試驗性能動態(tài)對比曲線。隨著轉速的增加，兩種燃料的功率P幾乎是沿直線迅速增加，而扭矩增加緩慢。當轉速在1 500 r/min～2 800 r/min，車用M85醇烴燃料的扭矩和功率略高于92#汽油，推測原因主要有：甲醇理論空燃比僅為汽油的45%左右，在同樣的過量空氣系數(shù)下，燃料與空氣混合氣的單位體積低熱值反而比汽油稍高；另外，甲醇的辛烷值較高，發(fā)動機可以使用較高壓縮比，容許較大的點火提前角，從而獲得更大的功率。結果說明M85醇烴燃料燃燒時的發(fā)動機動力性能較92#汽油略有提高。由圖1和圖2還可以看出，車用醇烴燃料的速度特性曲線與汽油相似，都是平穩(wěn)變化的，從側面反映了該醇烴燃料的均一性和燃燒的穩(wěn)定性，表明該醇烴燃料可用于汽油機。

圖1 M85醇烴燃料（樣品）和92#汽油（原機）的汽油發(fā)動機扭矩的對比試驗Fig. 1 Engine torque contrast test of M85 methanol-hydrocarbon fuels and 92# gasoline

圖2 M85醇烴燃料（樣品）和92#汽油（原機）發(fā)動機總功率對比試驗Fig. 2 Engine total power contrast test of M85 methanol- hydrocarbon fuels and 92# gasoline

2.4 負荷特性試驗

發(fā)動機負荷特性對比試驗按照GB/T 14951-2007中負荷特性的規(guī)定進行，測試時，選用常用轉速進行試驗。圖3～圖5分別是M85醇烴燃料和92#汽油在不同轉速條件下的負荷特性曲線。由圖可知，無論是在低轉速1 600 r/min、2 000 r/min，還是在高轉速3 000 r/min條件下，隨著功率P的增加，兩種燃料的消耗率都會隨之改變，且變化趨勢一致。當功率小于15 kW時，燃料消耗率下降，而當功率大于15 kW時，燃料消耗率緩慢上升，M85醇烴燃料比92#汽油更為明顯。這表明同等車況下，使用M85醇烴燃料的油耗較92#汽油高，這主要是由于甲醇的低位熱值（19.83 kJ/kg）小，導致M85醇烴燃料低位熱值（27.497 kJ/kg）較92#汽油的低位熱值低 （43.5 kJ/kg）引起的，然而甲醇的辛烷值（106～115）較高，抗爆性能好，使得到的M85醇烴燃料的辛烷值較高（為106，見表2），這樣的高辛烷值燃料可以滿足高壓縮比汽油機的需要，汽油機壓縮比高，則熱效率高，可以節(jié)省燃料，因此油耗增加量不會很高[6]。從圖3～圖5可知，在不同轉速條件下，燃燒M85醇烴燃料的最低燃料消耗率比92#汽油分別上升了5.51%、5.88%、5.86%。同時，按照燃料目前的實際價格計算，車用M85醇烴燃料成本僅為92#汽油的37%，如表4所示，這可以解決高出的油耗帶來的成本問題，從而具備更大的經(jīng)濟競爭優(yōu)勢。由圖3～圖5還可看出，燃用車用M85醇烴燃料的三負荷特性曲線與92#汽油相似，都是平穩(wěn)變化的，同樣反映了該燃料的均一性和燃燒的穩(wěn)定性，表明該醇烴燃料完全可用于汽油發(fā)動機上。

圖3 M85醇烴燃料（樣品）和92#汽油（原機）在轉速為1 600 r/min的發(fā)動機負荷特性曲線Fig. 3 Motors' load characteristic curve of M85 methanolhydrocarbon fuels and 92# gasoline at 1 600 r/min

圖4 M85醇烴燃料（樣品）和92#汽油（原機）在轉速為2 000 r/min的負荷特性曲線Fig. 4 Motors' load characteristic curve of M85 methanolhydrocarbon fuels and 92# gasoline at 2 000 r/min

圖5 M85醇烴燃料（樣品）和92#汽油（原機）在轉速為3 000 r/min的負荷特性曲線Fig. 5 Motors' load characteristic curve of M85 methanol- hydrocarbon fuels and 92# gasoline at 3 000 r/min

表4 M85醇烴燃料和92#汽油價格Table 4 Prices of M85 methanol-hydrocarbon fuels and 92# gasoline

3 結 論

試驗在汽油發(fā)動機未做任何改動的情況下，對燃用M85醇烴燃料的發(fā)動機臺架性能與燃用92#汽油的相比，結果如下：

（1）尾氣中HC含量上升了24%～27%，但CO含量下降了95%～96.3%；

（2）在100%油門開度下，轉速在1 500 r/min～4 000 r/min之間，其最大功率比92#汽油增加了3.35%，最大扭矩增加了3.37%；

（3）1 600 r/min、2 000 r/min和3 000 r/min負荷特性試驗結果顯示，其最低燃料消耗率比92#汽油分別上升了5.51%、5.88%、5.86%。

綜上所述，雖然發(fā)動機燃用M85醇烴燃料比92#汽油的耗油量上升，但從動力角度看，車用M85醇烴燃料輸出功率有所增加；從經(jīng)濟角度考慮，車用M85醇烴燃料成本僅為92#汽油的37%左右；從環(huán)保角度看，尾氣中CO排放量下降顯著。因此，該燃料可以部分或完全替代汽油在汽油內燃機中使用。

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Research on Performance of Gasoline Engine Operating on M85 Methanol-hydrocarbon Fuels

YANG Dan1, BAI Guo-fu2, PENG Fen1, ZHANG Hai-rong1, XIONG Lian1, CHEN Xin-de1
(1. Guangzhou Institute of Energy Conversion, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510640, China；2. Shenzhen DMMP Fuel Development Co.,Ltd, Guangdong Shenzhen 518109, China)

This paper introduced a preparation method of methanol-hydrocarbon fuels. The fuel emission characteristics, speed characteristics and load characteristic were experimentally studied. The performances of power, fuel economy and exhaust emission of combusting the methanol-hydrocarbon fuels and 92# gasoline was analyzed. The results show that compared with 92# gasoline, the maximum output power of methanol-hydrocarbon fuels increased slightly: the fuel consumption increased by 5.5%～6.0%, the CO content in exhaust gas decreased by 95%～96.3%, and the HC content increased by 24%～27%. Therefore, considering of the low cost and low CO emission, the methanol-hydrocarbon fuels can partially or completely replace gasoline fuels.

methanol-hydrocarbon fuel； IC engine； gasoline engine； bench test

TK01

A

10.3969/j.issn.2095-560X.2015.05.006

2095-560X（2015）05-0352-05

楊 丹（1989-），女，碩士，研究實習員，主要從事下游化工產(chǎn)品的開發(fā)利用。

2015-08-04

2015-09-10

醇烴燃料工藝技術及應用研究項目（y510081001）；“十二五”國家科技支撐計劃項目（2012BAD32B07）；江蘇省科技計劃（BE2013083）

? 通信作者：陳新德，E-mail：chenxd@ms.giec.ac.cn

陳新德（1967-），男，博士，正高級工程師，主要從事下游化工產(chǎn)品的開發(fā)利用。