車用M85甲醇汽油理化性質(zhì)實驗研究與動力排放評價

穆仕芳，宋 燦，尚如靜，魏靈朝，蔣元力

（1.河南能源化工集團研究院有限公司，河南 鄭州 450046；2.中國科學院山西煤炭化學研究所煤轉化國家重點實驗室，山西 太原 030001）

我國2016年石油的對外依存度已達60%以上，成為世界上最主要的能源消費進口大國，能源安全面臨嚴峻挑戰(zhàn)。在石油眾多代用燃料中，甲醇以其資源豐富、價格適宜、容易制取和良好的物化特性，在內(nèi)燃機替代燃料應用研究中越來越受到重視[1-4]。 2009年 7月，《車用甲醇汽油 (M85)》（GB/T 23799-2009）標準正式頒布，據(jù)有關部門統(tǒng)計，2016年國內(nèi)甲醇生產(chǎn)能力7990萬t，產(chǎn)量4740萬t，開工率59.3%，開發(fā)甲醇大規(guī)模下游應用迫在眉睫，推廣應用M85甲醇汽油可明顯消化過剩甲醇產(chǎn)能，提高甲醇裝置開工率，增加企業(yè)經(jīng)濟效益。

M85甲醇汽油具有燃燒充分、尾氣排放中碳氫化合物、氮氧化合物和碳氧化合物等有害氣體少等優(yōu)點，但存在對汽油發(fā)動機的腐蝕性和對橡膠制品的溶脹率較大、易分層、冷啟動性能較差等缺點[5-7]。為滿足車用M85甲醇汽油應用需要，本文系統(tǒng)開展其理化性質(zhì)研究，研制出符合國家標準要求的車用燃料。在此基礎上，采用發(fā)動機外特性實驗，研究M85甲醇汽油的動力性和排放性。

1 實驗方案

遇水抗相分離實驗：以不同的助溶劑配制M85甲醇汽油。取甲醇汽油樣品100mL，置于100mL的比色管中，向比色管中逐滴加入蒸餾水，然后振蕩，若樣品在3分鐘內(nèi)保持澄清、無相分離，則繼續(xù)加入蒸餾水，直至樣品變渾濁，最后記錄所加水占樣品的體積分數(shù)。

低溫穩(wěn)定性試驗：取M85甲醇汽油樣品100mL，置于100 mL的比色管中，將比色管垂直放置于-30℃的低溫冰箱中進行低溫測試，48h后取出，觀察樣品是否澄清、有無相分離。

金屬腐蝕性能試驗：以一定比例的M85甲醇汽油為實驗樣品，添加不同的金屬腐蝕抑制劑，將大小為40mm×10mm×2mm的黃銅、紫銅、鋁、鐵和不銹鋼等材質(zhì)的金屬試片，浸入試液中，常溫浸泡4個月，每月更換甲醇汽油試樣并稱重試片，計算金屬失重百分數(shù)（腐蝕率）并觀察試片外觀變化。

非金屬溶脹性能試驗：參考 《GB/T 1690-2006硫化橡膠耐液體試驗方法》，橡膠溶脹程度用質(zhì)量相對增量△m和體積相對增量△V表示，實驗條件為室溫（12～18℃），避光。

與純汽油或乙醇汽油互溶性試驗：取M85甲醇汽油 50mL, 分別加入 5、10、20、30、40、50、60、70、80、90、100、110、120、130、140、150mL 的 純 汽 油 或乙醇汽油，檢驗其是否澄明或是否出現(xiàn)分層現(xiàn)象。

2 實驗結果及分析

2.1 車用M85甲醇汽油理化性質(zhì)

2.1.1 低溫和遇水抗相分離性能

以M85甲醇汽油的遇水抗相分離性能和低溫穩(wěn)定性為目標，對多種助溶劑進行了篩選和復配試驗。采用甲基叔丁基醚、正丁醇、異丁醇、正辛醇、異辛醇、span80、吐溫20等及其復合物作為助溶劑，進行了對比實驗，對助溶劑進行了篩選，并對其用量進行了初步確定。部分實驗結果見表1。

表1 單一助溶劑實驗結果

從表1可以看出，甲基叔丁基醚、正丁醇、異丁醇、正辛醇、異辛醇等都可以作為M85甲醇汽油的助溶劑。為克服單一助溶劑在使用中的缺陷，在此基礎上對助溶劑進行了復配試驗，并對其用量進行優(yōu)化，確定助溶劑最終配方ZRJ-16。

2.1.2 金屬腐蝕抑制劑的研究

由于醇類產(chǎn)品（甲醇、乙醇等）在生產(chǎn)過程中（合成或發(fā)酵）不可避免地產(chǎn)生少量酸性物質(zhì)，醇接觸空氣時由于氧化也會產(chǎn)生少量的有機酸，這些酸性物質(zhì)會給發(fā)動機的金屬部件帶來腐蝕；而且醇類產(chǎn)品本身吸水性較強，在儲運過程中會吸收空氣中的微量水分，因電化學作用而加劇腐蝕。因此，甲醇對金屬材料的腐蝕性是醇類燃料使用中必須解決的問題之一。

通過金屬腐蝕抑制劑的篩選，確定了最終配方KFS-26，其主要成分包括抗氧劑、金屬鈍化劑、潤滑劑等。采用該配方配制的M85甲醇汽油經(jīng)河南省產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗院國家車用乙醇汽油檢測中心檢測其銅片腐蝕實驗達到1a級，符合GB17930-2006車用汽油標準。在此基礎上進行了純汽油與M85甲醇汽油對不同金屬的腐蝕性研究，結果如表2所示。

表2 金屬腐蝕率實驗結果

從表2可以看出，與M85（無KFS-26）對比，添加了金屬腐蝕抑制劑以后M85甲醇汽油的抗腐蝕性能明顯增強。對比M85甲醇汽油和純汽油對系列金屬的腐蝕，可以發(fā)現(xiàn)金屬腐蝕抑制劑的添加有效抑制了甲醇汽油對系列金屬的腐蝕，可以滿足使用要求。

2.1.3 非金屬材料溶脹抑制劑的研究

醇類燃料屬化工溶劑，對汽車供油系統(tǒng)中非金屬材料產(chǎn)生一定的腐蝕、溶脹作用，為改進甲醇燃料性能而使用的添加劑中的某些成分也會對橡膠和塑料部件產(chǎn)生不良的影響，從燃料的角度來解決甲醇汽油與車輛燃料系統(tǒng)材料的適應性問題，使甲醇燃料本身具有一定的防腐抗溶脹的性能。

根據(jù) 《GB/T 1690-92硫化橡膠耐液體試驗方法》的規(guī)定，實驗針對耐油橡膠（丁腈膠、氟橡膠和聚氨酯膠）、非耐油橡膠（硅橡膠、三元乙丙橡膠）等橡膠材料進行了M85甲醇汽油的適應性實驗，同時考察KRZ-36有無對M85甲醇汽油溶脹性能的影響，實驗結果見表3、表4。

表3 不同橡膠在甲醇汽油中一周的溶脹實驗結果

從表3、表4可以看出：添加溶脹抑制劑KRZ-36后，M85甲醇汽油對非金屬材料的溶脹作用明顯降低；聚氨酯膠、氟橡膠、丁腈膠在溶脹性方面與甲醇汽油的兼容性較好，丁腈膠抗溶脹效果最為明顯。研究發(fā)現(xiàn)，對于同一種橡膠，不同比例甲醇汽油的溶脹值相差不多，說明所配制甲醇汽油的非金屬材料適應性較好。

表4 不同橡膠在甲醇汽油中四周的溶脹實驗結果

2.1.4 M85甲醇汽油與純汽油或乙醇汽油的互溶性

M85甲醇汽油與現(xiàn)有汽油的互溶性是M85甲醇汽油是否能夠與現(xiàn)有汽油混合使用、對產(chǎn)品進行順利推廣的關鍵因素之一。實驗結果顯示所有樣品均未發(fā)現(xiàn)分層現(xiàn)象，表明M85甲醇汽油可以與純汽油或乙醇汽油以任意比互溶，可以在車輛上摻用。這為車輛運行中添加燃料、并保證正常行駛提供了基本保障。

2.1.5 M85甲醇汽油質(zhì)量檢測

根據(jù)優(yōu)化的實驗結果，將配制的M85甲醇汽油經(jīng)河南省產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗院國家車用乙醇汽油檢測中心檢測，檢測結果見表5。

表5 M85甲醇汽油質(zhì)量檢測結果

從表5可以看出，研制的M85甲醇汽油實際膠質(zhì)和未洗膠質(zhì)大大低于GB/T 23799-2009車用甲醇汽油（M85）的標準要求；易造成腐蝕的硫含量和氯含量 （有機氯和無機氯含量）也低于標準要求，水分、蒸汽壓、鉛含量等符合標準要求。表明研制的M85甲醇汽油樣品主要指標完全符合GB/T 23799-2009車用甲醇汽油（M85）標準要求。

2.2 車用M85甲醇汽油動力與排放性能評價

圖1 外特性功率、扭矩曲線

圖2 外特性油耗曲線

甲醇汽油的研發(fā)最終要在發(fā)動機或車輛上使用，因此委托西安汽車產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗站對研制的車用M85甲醇汽油進行臺架試驗和道路試驗。

2.2.1 M85甲醇汽油臺架試驗

臺架試驗在日本三菱公司4G15S發(fā)動機上進行，部分結果如圖1、圖2所示。從圖1外特性功率、扭矩曲線可以看出，M85甲醇汽油的動力性能整體上與93#汽油相當，某些轉速下略高于93#汽油；從圖2外特性油耗曲線上可以看出，M85甲醇汽油的燃油消耗率高于93#汽油；圖3給出了兩種燃料在發(fā)動機轉速2600r/min負荷特性下甲醛排放量對比，可以看出，燃用M85甲醇汽油甲醛排放量整體上高于93#汽油，在特定扭矩下二者數(shù)值較接近。

圖3 兩種燃料在發(fā)動機轉速2600r/min負荷特性下甲醛排放量對比

臺架試驗結果表明：

①4G15S汽油機燃用車用甲醇汽油（M85）與燃用93#汽油相比，外特性在4200r/min，功率增大0.2kW，有效燃料消耗率平均上升46.97%。

②油耗對比：4G15S汽油機燃用車用甲醇汽油（M85）與燃用 93# 汽油相比，2000r/min、2400r/min、3000r/min、3400r/min負荷特性上有效燃料消耗率分別上升54.37%、46.63%、46.84%、42.4%，平均上升了47.56%。

③排放情況：燃用M85甲醇汽油與燃用93#汽油相比，在怠速工況 (900r/min)下CO排放量由0.17%下降到0.14%，HC排放量由82×10-6下降到70×10-6;高怠速工況 (2000r/min)下，CO排放量由0.58%下降到0.43%，HC排放量由58×10-6下降到41×10-6；在2600r/min負荷特性上，CO平均排放量由0.6%下降到0.4%，下降33.3%，HC排放量由75×10-6下降到 26×10-6， 下降了 65.8%，NOx平均排放量由 3614×10-6下降到 3227×10-6，下降了 10.7%，甲醛平均排放量由0.34mg/m3上升到0.6mg/m3，上升了76%。

2.2.2 道路試驗

道路試驗在實驗車輛上進行，主要進行直接檔加速性能試驗、起步檔加速性能實驗、燃料消耗量實驗以及最低穩(wěn)定車速實驗。結果表明實驗車輛使用車用甲醇汽油（M85）在兩種加速性能實驗模式下燃料的加速性能均有所提高，在不同實驗條件下燃料消耗量增加幅度為40%～60%，與臺架試驗及行車試驗結果基本吻合。實驗車輛燃用兩種燃料的最低穩(wěn)定車速幾乎相同（24km/h、23km/h）。

3 結論

（1）研制的M85甲醇汽油符合國家標準（GB/T 23799-2009車用甲醇汽油（M85））各項要求。

（2）加入添加劑有效抑制了車用M85甲醇汽油的腐蝕溶脹問題。

（3）臺架試驗和道路試驗表明，汽油機燃用M85甲醇汽油與燃用93#汽油相比，加速性能提高，常規(guī)排放物（CO、HC、NOx）有不同程度的下降，甲醛排放升高，應加強對甲醇汽油非常規(guī)排放物的研究，促進行業(yè)健康發(fā)展。

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