E15 與M15 做為車用內(nèi)燃機(jī)燃料的應(yīng)用性能比較

賈偉藝 李洪娟 彭 勝 王志彥

（1-開(kāi)灤煤化工研發(fā)中心 河北 唐山 063611 2-河北省煤基材料與化學(xué)品技術(shù)創(chuàng)新中心3-唐山開(kāi)灤化工科技有限公司）

引言

近年來(lái)，我國(guó)通過(guò)油品升級(jí)來(lái)防治大氣污染的工作力度明顯加大。2016 年12 月，國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)聯(lián)合發(fā)布實(shí)施了GB 17930-2016 車用汽油國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，提出2019 年1月1 日起全國(guó)實(shí)施國(guó)ⅥA 汽油標(biāo)準(zhǔn)，2023 年1 月1日起全國(guó)實(shí)施國(guó)ⅥB 汽油標(biāo)準(zhǔn)。2017 年3 月發(fā)布實(shí)施的《京津冀及周邊地區(qū)2017 年大氣污染防治工作方案》中，明確提出要加強(qiáng)油品質(zhì)量管理，提前實(shí)施國(guó)Ⅵ汽油標(biāo)準(zhǔn)。2017 年9 月，GB 18351-2015 車用乙醇汽油（E10）發(fā)布實(shí)施，2018 年2 月，GB 35793-2018 車用乙醇汽油E85 發(fā)布。由于低比例甲醇汽油國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)涉及多方面的原因尚未出臺(tái)，僅有GB/T 23510-2009 車用燃料甲醇、GB/T 23799-2009 車用甲醇汽油（M85）、GB/T 34548-2017 車用甲醇汽油添加劑等標(biāo)準(zhǔn)先后發(fā)布實(shí)施。但多年來(lái)，科研人員對(duì)低比例甲醇汽油的研究并沒(méi)有因此而止步。

目前，國(guó)內(nèi)對(duì)低比例甲醇汽油的研究多以M15為主[1-5]，對(duì)乙醇汽油的研究多數(shù)集中在我國(guó)即將全面推廣應(yīng)用的E10 乙醇汽油上[6-8]，而針對(duì)E15 乙醇汽油的研究較少。同一添加比例下，乙醇汽油與甲醇汽油在應(yīng)用性能上有所區(qū)別。本文通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩、油耗、功率試驗(yàn)，系統(tǒng)研究了92#汽油、E15 乙醇汽油、M15 甲醇汽油的速度特性、負(fù)荷特性和排放特性，并分別進(jìn)行了比較。

1 研究方法

1.1 試驗(yàn)材料

試劑：92#汽油，市售；甲醇，工業(yè)級(jí)優(yōu)等品，市售；乙醇，工業(yè)級(jí)優(yōu)等品，市售；甲醇汽油添加劑（自制）；乙醇汽油添加劑（自制）。試驗(yàn)用汽油、乙醇、甲醇部分參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)用汽油、乙醇、甲醇部分參數(shù)

分別選用市售92#汽油、工業(yè)甲醇、工業(yè)乙醇，以及甲醇汽油添加劑[9]（質(zhì)量比不超過(guò)0.7%）、乙醇汽油添加劑（質(zhì)量比不超過(guò)0.7%），按一定調(diào)配工藝配制E15 乙醇汽油、M15 甲醇汽油，配制的M15 甲醇汽油、E15 乙醇汽油均符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求[10-11]。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

1.2.1 發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)設(shè)備

發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)是在機(jī)械工業(yè)內(nèi)燃機(jī)油品檢驗(yàn)評(píng)定中心經(jīng)國(guó)家認(rèn)證認(rèn)可監(jiān)督管理委員會(huì)資質(zhì)認(rèn)定的發(fā)動(dòng)機(jī)評(píng)定臺(tái)架上進(jìn)行的。臺(tái)架試驗(yàn)布置示意圖如圖1 所示[12]。

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)布置示意圖

臺(tái)架試驗(yàn)評(píng)定用發(fā)動(dòng)機(jī)的主要參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 評(píng)定用發(fā)動(dòng)機(jī)主要參數(shù)

臺(tái)架試驗(yàn)評(píng)定用測(cè)功機(jī)為CW-160 電渦流測(cè)功機(jī)，額定制動(dòng)功率為160 kW，額定轉(zhuǎn)速為7 000 r/min。

1.2.2 發(fā)動(dòng)機(jī)排氣污染物排放試驗(yàn)設(shè)備

發(fā)動(dòng)機(jī)排氣污染物排放是唐山廣運(yùn)機(jī)動(dòng)車檢測(cè)公司采用SVW7203VPD 帕薩特轎車測(cè)定的，試驗(yàn)所用排氣分析儀型號(hào)為MQW-50A。

1.2.3 餾程測(cè)定設(shè)備

油品餾出物為10%、50%體積分?jǐn)?shù)時(shí)的溫度（簡(jiǎn)稱t10%、t50%），通過(guò)大連匯豐石油儀器有限公司的DHF-003C 蒸餾測(cè)定器測(cè)定獲得。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)方法

根據(jù)GB/T 18297-2001 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)性能試驗(yàn)方法[13]，開(kāi)展發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)。按標(biāo)準(zhǔn)要求，發(fā)動(dòng)機(jī)配備指定配件后起動(dòng)，待轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩及排氣溫度穩(wěn)定1 min 后，在發(fā)動(dòng)機(jī)油門全開(kāi)的條件下，先保持發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速在一定的規(guī)定范圍，然后逐漸改變轉(zhuǎn)速以達(dá)到測(cè)量要求，分別記錄功率、轉(zhuǎn)矩、燃料消耗量等特征參數(shù)，測(cè)量燃料消耗量的時(shí)間不少于20 s。

在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速不變的情況下，從小負(fù)荷開(kāi)始，逐步開(kāi)大油門，直至油門全開(kāi)，適當(dāng)?shù)胤植紲y(cè)量點(diǎn)，記錄功率、轉(zhuǎn)矩、燃料消耗量等特征參數(shù)，繪制發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷特性曲線。

1.3.2 發(fā)動(dòng)機(jī)排氣污染物排放試驗(yàn)方法

依照GB 18285-2005 點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)汽車排氣污染物排放限值及測(cè)量方法（雙怠速法及簡(jiǎn)易工況法）[14]，大眾帕薩特轎車分別加注92#汽油、E15 乙醇汽油、M15 甲醇汽油，對(duì)同一工況下的尾氣排放進(jìn)行常規(guī)排放檢測(cè)。設(shè)定怠速轉(zhuǎn)速為750 r/min，高怠速轉(zhuǎn)速為2 500 r/min。

1.3.3 餾程特性測(cè)定試驗(yàn)

根據(jù)GB/T 6536-2010 石油產(chǎn)品常壓蒸餾特性測(cè)定法[15]，對(duì)本試驗(yàn)餾程相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)定。

2 結(jié)果與分析

2.1 發(fā)動(dòng)機(jī)速度特性測(cè)試

92#汽油的速度特性測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3，E15 乙醇汽油的速度特性測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表4，M15 甲醇汽油的速度特性測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表5。

表3 92#汽油的速度特性測(cè)試結(jié)果

在100%負(fù)荷、不同轉(zhuǎn)速下，3 種燃料的發(fā)動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩見(jiàn)圖2，輸出功率見(jiàn)圖3。

通過(guò)圖2、圖3 可以看出，在100%負(fù)荷下，3 種燃料的輸出功率、輸出轉(zhuǎn)矩變化趨勢(shì)基本一致。相比于92#汽油，醇類汽油的轉(zhuǎn)矩、功率等性能皆有不同程度的下降。發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速保持在2 500～3 500 r/min（低轉(zhuǎn)速）時(shí)，92#汽油、M15 甲醇汽油、E15 乙醇汽油的轉(zhuǎn)矩關(guān)系為：92#汽油＞M15 甲醇汽油＞E15 乙醇汽油。這主要是因?yàn)榈娃D(zhuǎn)速時(shí)，甲醇/乙醇汽油自身含氧，有助于燃料充分燃燒，并且醇類汽油辛烷值高于純汽油，所以其速度特性整體變化幅度不大；而且由于M15 甲醇汽油的氧含量高于E15 乙醇汽油，使得M15 甲醇汽油在相同轉(zhuǎn)速下的功率、轉(zhuǎn)矩高于E15乙醇汽油。

表4 E15 乙醇汽油的速度特性測(cè)試結(jié)果

表5 M15 甲醇汽油的速度特性測(cè)試結(jié)果

圖2 100%負(fù)荷下發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩

圖3 100%負(fù)荷下發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率

本文對(duì)與車輛起動(dòng)性能、發(fā)動(dòng)機(jī)暖機(jī)時(shí)間及發(fā)動(dòng)機(jī)加速性能相關(guān)的油品蒸發(fā)性能指標(biāo)t10%、t50%進(jìn)行測(cè)定，測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 92#汽油、E15 乙醇汽油、M15 甲醇汽油的蒸發(fā)性能比較

表6 的數(shù)據(jù)顯示，相比于92#汽油，E15 乙醇汽油與M15 甲醇汽油的t10%、t50%等2 項(xiàng)指標(biāo)的餾出溫度均有一定程度的降低，降低范圍在4～8℃之間。這主要是因?yàn)榧尤爰状?乙醇后，汽油變得更容易揮發(fā)，發(fā)動(dòng)機(jī)加速變得更加靈活，運(yùn)行更加穩(wěn)定，這也是低轉(zhuǎn)速時(shí)醇類汽油與汽油的速度特性數(shù)據(jù)相差很小的原因。

當(dāng)轉(zhuǎn)速在4 000～5 000 r/min（高轉(zhuǎn)速）時(shí)，相比于92#汽油，E15 乙醇汽油、M15 甲醇汽油的功率、轉(zhuǎn)矩均出現(xiàn)明顯下降，且M15 甲醇汽油的功率、轉(zhuǎn)矩降低幅度高于E15 乙醇汽油。這是由于在自然吸氣汽油機(jī)未做任何調(diào)整的情況下，低轉(zhuǎn)速下，ECU 調(diào)整的混合氣濃度偏高；高轉(zhuǎn)速下，ECU 調(diào)整的混合氣濃度偏稀，此時(shí)，醇類汽油低熱值因素的影響增強(qiáng)，超過(guò)了辛烷值提高及氧氣助燃作用的影響。臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果表明，與92#汽油相比，E15 乙醇汽油的平均功率降低了1.2%，M15 甲醇汽油的平均功率則降低了3.9%。

理論上，本試驗(yàn)所用測(cè)功機(jī)的最高轉(zhuǎn)速能達(dá)到6 000 r/min，但是在本文的臺(tái)架試驗(yàn)中，最高轉(zhuǎn)速控制在5 000 r/min。在對(duì)比試驗(yàn)中，轉(zhuǎn)速的相關(guān)控制對(duì)試驗(yàn)結(jié)果無(wú)影響。

2.2 發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷特性試驗(yàn)

利用發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷特性曲線，可以更全面地確定發(fā)動(dòng)機(jī)在各種負(fù)荷下的經(jīng)濟(jì)性。本試驗(yàn)對(duì)92#汽油、E15 乙醇汽油和M15 甲醇汽油等3 種燃料進(jìn)行了2 500 r/min 下的負(fù)荷特性對(duì)比試驗(yàn)，通過(guò)該試驗(yàn)對(duì)比3 種燃料的燃油經(jīng)濟(jì)性。試驗(yàn)結(jié)果如圖4 所示。

圖4 發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷特性曲線對(duì)比

根據(jù)圖4 可以看出，在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速一定時(shí)，當(dāng)節(jié)氣門剛打開(kāi)，負(fù)荷較小時(shí)的情況下，92#汽油、M15 甲醇汽油、E15 乙醇汽油的燃油消耗率均最高。在節(jié)氣門緩慢開(kāi)啟、負(fù)荷逐漸增大的過(guò)程中，燃油消耗率逐漸降低直至到達(dá)最低點(diǎn)，這時(shí)節(jié)氣門已經(jīng)接近全開(kāi)。繼續(xù)增大節(jié)氣門開(kāi)度時(shí)，燃油消耗率又逐漸上升。在整個(gè)試驗(yàn)工況，醇類燃料的燃油消耗率普遍比92#汽油高，E15 乙醇汽油的燃油消耗率升高了3.5%左右，M15 甲醇汽油的燃油消耗率升高了3.1%左右。不過(guò)，此結(jié)果與通過(guò)燃料低熱值計(jì)算所得結(jié)果并不完全相同。醇基液體燃料低熱值可由公式（1）進(jìn)行計(jì)算。其中，汽油、甲醇、乙醇的密度、低熱值分別如表1 所示。

式中：QGC為汽油與醇基液體燃料的低熱值，MJ/kg；MG為汽油在醇基液體燃料中的質(zhì)量百分比，%；MC為甲醇/乙醇在醇基液體燃料中的質(zhì)量百分比，%；Qg為醇基液體燃料中汽油的低熱值，MJ/kg；QC為醇基液體燃料中甲醇/乙醇的低熱值，MJ/kg。

計(jì)算時(shí)，將醇基液體燃料中汽油、甲醇/乙醇的體積百分比分別按公式（2）、公式（3）換算為質(zhì)量百分比MG、MC：

式中：ρg為汽油的密度，kg/m3；ρc為甲醇或乙醇的密度，kg/m3；α 為醇基液體燃料中汽油所占的體積比；β為醇基液體燃料中甲醇或乙醇所占的體積比。

根據(jù)公式（1），3 種試驗(yàn)燃料低熱值的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表7。

若只按照低熱值計(jì)算燃料經(jīng)濟(jì)性，則M15 甲醇汽油的燃油消耗率升高了8.39%，E15 乙醇汽油的燃油消耗率升高了5.91%?？芍?，發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷特性試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)遠(yuǎn)低于這2 個(gè)數(shù)據(jù)。造成該結(jié)果的因素可能有醇類辛烷值高、著火極限寬、火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤?、沸點(diǎn)低、蒸發(fā)性好及含氧助燃等多個(gè)方面。

表7 試驗(yàn)燃料的低熱值

將通過(guò)低熱值計(jì)算出的燃油消耗率升高率與通過(guò)負(fù)荷特性試驗(yàn)所獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，可以看出，在實(shí)際的應(yīng)用中，相比于汽油，醇類汽油的燃油消耗率升高并不是很明顯。

2.3 發(fā)動(dòng)機(jī)排氣污染物排放試驗(yàn)

對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃用不同燃料時(shí)所排放污染物進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果及對(duì)比情況見(jiàn)表8。

表8 發(fā)動(dòng)機(jī)排氣污染物排放試驗(yàn)結(jié)果

由表8 可知，大多數(shù)工況下，醇類汽油對(duì)CO、HC 排放改善較大。這是由于HC 和CO 的形成，更多是由于燃料沒(méi)有進(jìn)行完全燃燒。HC 和CO 的形成與過(guò)量空氣系數(shù)緊密相關(guān)，通常情況下，HC 和CO 排放伴隨過(guò)量空氣系數(shù)的增大而減少[16-17]。由于甲醇分子本身含有50%的氧，乙醇分子本身含有34.8%的氧，故而醇類汽油的含氧比例比92#汽油高，從而使HC 和CO 排放能有效降低。這種有利作用多體現(xiàn)在怠速階段，從表8 可以看出，燃用E15 乙醇汽油時(shí)，怠速CO 排放比燃用汽油時(shí)降低了29.8%；燃用M15甲醇汽油時(shí)，HC 排放降低最為明顯，尤其是怠速工況下，HC 排放降低了42.22%。

值得注意的是，E15 乙醇汽油怠速時(shí)的HC 排放高于92#汽油。原因極大可能是乙醇在燃燒過(guò)程中沒(méi)有參與燃燒或者沒(méi)有完全燃燒，通過(guò)曲軸箱附近排入大氣。另外，燃料蒸發(fā)也是原因之一。周龍保等人認(rèn)為，壁面淬熄、狹隙效應(yīng)等是HC 產(chǎn)生的主要來(lái)源。當(dāng)火焰?zhèn)鞑ブ翚飧妆诿娓浇鼤r(shí)，壁面具有一定的冷卻效果，導(dǎo)致火焰無(wú)法完全傳播至壁面，大約有0.5mm 厚度的混合氣不能燃燒，淬冷層指的就是這層無(wú)法燃燒的氣體層[18]。由于甲醇、乙醇的粘度低于汽油，在燃燒過(guò)程中更易滲入曲軸箱中，造成淬冷層內(nèi)醇類含量增加，使得HC 排放增加。通過(guò)提高潤(rùn)滑油性能或?qū)ζ蜋C(jī)的點(diǎn)火時(shí)間等參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，可進(jìn)一步降低污染物排放。

3 結(jié)論

本文研究了E15 乙醇汽油、M15 甲醇汽油與92#汽油的應(yīng)用性能，通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架試驗(yàn)與污染物排放試驗(yàn)，考察了轉(zhuǎn)矩、功率、油耗、CO 排放、HC 排放試驗(yàn)結(jié)果，分析了燃料的速度特性、負(fù)荷特性和排放特性等車用應(yīng)用性能。結(jié)果表明，E15 乙醇汽油、M15 甲醇汽油等醇類汽油減排效果明顯。醇類的助燃、高辛烷值特征在低轉(zhuǎn)速時(shí)作用明顯，在低轉(zhuǎn)速時(shí)，E15 乙醇汽油、M15 甲醇汽油的應(yīng)用性能與92# 汽油差別很小，且M15 甲醇汽油的應(yīng)用性能優(yōu)于E15乙醇汽油。在高轉(zhuǎn)速時(shí)，與92#汽油相比，E15 乙醇汽油、M15 甲醇汽油的功率、轉(zhuǎn)矩均出現(xiàn)比較明顯的下降，E15 乙醇汽油的平均燃油消耗率升高了3.5%左右，M15 甲醇汽油的平均燃油消耗率升高了3.1%左右，但遠(yuǎn)低于通過(guò)低熱值所計(jì)算出的理論數(shù)據(jù)。E15乙醇汽油、M15 甲醇汽油均為優(yōu)良的汽油替代燃料，若進(jìn)一步優(yōu)化點(diǎn)火時(shí)間、ECU 匹配等，可進(jìn)一步發(fā)揮醇類汽油的優(yōu)勢(shì)，達(dá)到更好的節(jié)能減排效果。