車用低比例甲醇汽油的使用性能研究

張新莊 張書勤 張娟利

(陜西延長石油(集團)有限責任公司研究院)

車用低比例甲醇汽油的使用性能研究

張新莊 張書勤 張娟利

(陜西延長石油(集團)有限責任公司研究院)

研究低比例甲醇汽油在4G15S汽油發(fā)動機和現(xiàn)代ix35小型客車上的使用性能。以M15、M25甲醇汽油作為試驗樣品，測試燃用時的動力性、經(jīng)濟性、平穩(wěn)性和排放性等特征數(shù)據(jù)，并與燃用93#汽油進行對比分析。結果表明，燃用M15、M25甲醇汽油后，發(fā)動機功率增大，加速時間和加速距離減??；有效燃料消耗率和平均燃料消耗量均增加；平穩(wěn)性與燃用93#汽油時相同；尾氣中CO和HC排放量明顯下降。研究結論證實，M15、M25甲醇汽油使用性能良好，為低比例甲醇汽油的實際應用提供了一定的參考依據(jù)。

甲醇汽油 動力性 油耗 排放特性

我國是一個油氣資源貧乏而煤炭資源相對富足的國家, 在煤化工蓬勃發(fā)展的大背景下，甲醇汽油作為一種汽油替代品具有很大的市場潛力，而低比例甲醇汽油在動力性等方面與汽油相近，可以直接用于汽油發(fā)動機[1]。甲醇的辛烷值高、抗爆性好、資源豐富且成本低，其分子中含有50%的氧，燃燒更加充分，具有比汽油更低的有害排放。因此，使用甲醇汽油可有效降低汽車污染排放[2-3]。甲醇汽油作為部分替代汽油的現(xiàn)實能源，針對其開展相關的應用研究，分析其燃用時對發(fā)動機動力性、經(jīng)濟性和排放特性的影響，對指導甲醇汽油的推廣應用具有重要的現(xiàn)實意義[4-5]。

本文以前期研制的、各項理化性能指標符合陜西省地方標準的M15、M25甲醇汽油為試驗樣品，以93#國標汽油作為參比樣品，通過發(fā)動機臺架試驗和整車道路耐久試驗，系統(tǒng)分析摻入甲醇的汽油在發(fā)動機上燃燒時的動力性、經(jīng)濟性、平穩(wěn)性以及排放特性的變化。

1 試驗樣品與設備

1.1試驗樣品

試驗樣品選用前期研制的M15和M25甲醇汽油，其經(jīng)陜西省能源質量監(jiān)督檢驗所檢驗，分別符合陜西省地方標準DB 61/T 352-2004《車用M15甲醇汽油》(93號)和DB 61/T 353-2004《車用M25甲醇汽油》(93號)的技術要求。93#汽油國標與M15、M25陜西省地標的關鍵理化指標對比見表1。

表1 93#汽油國標與甲醇汽油地方標準的技術要求對比情況Table1 Contrastoftechnicalrequirementsbetweenthenationalstandardsof93#gasolineandlocalstandardsofmethanolgasoline序號檢測項目93#汽油標準甲醇汽油陜西省地標國Ⅲ國ⅣM15M251研究法辛烷值(RON)≥939393932ρ(鉛)/(g·L-1)≤0.0050.0050.0050.0053餾程10%蒸發(fā)溫度/℃≤7070707050%蒸發(fā)溫度/℃≤12012011011090%蒸發(fā)溫度/℃≤190190185185終餾點/℃≤205205205205φ(殘留量)/%≤22224蒸氣壓/kPa≤888890905實際膠質/(mg·(100mL)-1)≤55556誘導期/min≥4804804804807w(硫)/%≤0.0150.0050.070.078銅片腐蝕(50℃,3h)/級≤11119水溶性酸或堿無無無無10w(水)/%無無0.030.0511φ(苯)/%≤1.01.02.52.512φ(烯烴)/%≤3025302713φ(芳烴)/%≤4035343014低溫抗相分離性能(-20℃,48h)--無相分離無相分離15遇水抗相分離性能(加水1.5%,振蕩5min,靜置48h)--無相分離無相分離

由表1可以看出，93#汽油國標與甲醇汽油陜西省地方標準主要在餾程、蒸氣壓、硫含量、水分、苯含量、烯烴含量及芳烴含量等限值上有差別。甲醇揮發(fā)性強、飽和蒸氣壓大，使得甲醇汽油50%和90%蒸發(fā)溫度限值降低，蒸氣壓限值增大；甲醇自身含水，甲醇汽油有一定的吸水性，而微量水在醇油體系中可以穩(wěn)定存在，使得甲醇汽油對水分含量做出限制；甲醇與汽油混合后，為保證辛烷值、穩(wěn)定性及防腐、抗溶脹的要求，往往加入有機添加劑進行改性，使得硫含量、苯含量限值增大，烯烴含量和芳烴含量限值出現(xiàn)波動。另外，甲醇汽油標準中增加了低溫穩(wěn)定性和溶水穩(wěn)定性的技術要求。

1.2試驗設備

93#汽油、M15甲醇汽油的發(fā)動機臺架試驗所采用的儀器設備情況見表2。試驗項目包括：①發(fā)動機外特性試驗；②發(fā)動機轉速為2 000 r/min、2 400 r/min、3 000 r/min、3 400 r/min時的負荷特性試驗；③怠速、高怠速排放污染物試驗。

表2 油品發(fā)動機臺架試驗相關設備情況Table2 Relatedequipmentofbenchtestforgasolineengine名稱規(guī)格型號生產(chǎn)單位計量鑒定單位發(fā)動機4G15S日本三菱公司測功機CW100洛陽南峰機械廠陜西省計量研究所油耗計FCM上海內燃機研究所陜西省計量研究所通風干濕溫度計DHM2天津氣相儀器廠陜西省計量研究所動槽水銀氣壓計DYM1長春氣相儀器廠陜西省計量研究所廢氣分析儀AVL4000LAVL公司陜西省計量研究所

93#汽油、M15和M25甲醇汽油的整車道路耐久試驗使用現(xiàn)代ix35小型普通客車，所采用的儀器設備情況見表3。試驗項目包括：①經(jīng)濟性能試驗(直接檔等速、直接檔加速、六工況及限定條件下的燃料消耗量比對試驗)；②動力性能試驗(50 km/h初速度滑行、直接檔最低穩(wěn)定車速、直接檔全油門加速及起步換擋加速比對試驗)。

表3 油品整車道路耐久試驗相關設備情況Table3 Relatedequipmentofvehicleroadendurancetestforgasoline名稱型號產(chǎn)地綜合氣象測試儀中國長春筆記本電腦DELLE5500美國VGPSVBOXVB2SX德國燃油流量傳感器MF-2200日本燃油流量計DF-2420日本

2 試驗結果與分析[6-10]

2.1動力性分析

發(fā)動機臺架試驗中，分別對燃用93#汽油、M15甲醇汽油時4G15S發(fā)動機的外特性功率和扭矩進行檢測，結果見表4。整車道路試驗中，分別對燃用93#汽油、M15和M25甲醇汽油時汽車的滑行、最低穩(wěn)定車速及加速性能進行檢測，結果見表5。

由表4可知，4G15S發(fā)動機燃用M15甲醇汽油與燃用93#汽油相比，在不同轉速下功率和扭矩普遍增大，功率平均增幅為0.9 kW，扭矩平均增幅為3.0 N·m，說明發(fā)動機的輸出增加，動力性增強。從表5可以看出，3種油品的直接檔最低穩(wěn)定車速：M25甲醇汽油>M15甲醇汽油>93#汽油。直接檔(5檔)全油門加速時，燃用M15甲醇汽油比燃用93#汽油加速時間減少2.59 s，加速距離減少44.26 m；燃用M25甲醇汽油時，加速時間減少2.32 s，加速距離減少41.97 m。起步換擋加速時，燃用M15甲醇汽油比燃用93#汽油加速時間減少1.21 s，加速距離減少25.55 m；燃用M25甲醇汽油時，加速時間減少0.25 s，加速距離減少7.15 m。可見，M15和 M25甲醇汽油的動力性均強于93#汽油，兩種甲醇汽油的直接檔加速性能相差不大，但在起步換擋加速時，M15甲醇汽油的加速時間和加速距離更短，原因可能是甲醇含氧，使得甲醇汽油燃燒得更加充分，但當氧含量超過一定值后反而不利于甲醇汽油燃燒。

表4 93#汽油和M15甲醇汽油發(fā)動機臺架試驗(動力性)檢測結果Table4 Enginebenchtest(dynamicperformance)resultsof93#gasolineandM15methanolgasoline轉速n/(r·min-1)功率Pe/kW扭矩Me/(N·m)93#汽油M15變化量93#汽油M15變化量420052.253.3+1.1118.6121.2+2.6380049.650.1+0.5124.6125.8+1.2340045.847.1+1.3128.5132.2+3.7300038.840.8+2.0123.5130.0+6.5260030.031.4+1.4110.2115.3+5.1220024.525.1+0.6106.4108.8+2.4200023.123.5+0.4110.5112.2+1.7180020.720.9+0.2110.0110.9+0.9

表5 93#汽油、M15和M25甲醇汽油整車道路試驗(動力性)檢測結果Table5 Vehicleroadtest(dynamicperformance)resultsof93#gasoline,M15andM25methanolgasoline檢測項目93#汽油M15甲醇汽油M25甲醇汽油時間/s距離/m速度/(km·h-1)時間/s距離/m速度/(km·h-1)時間/s距離/m速度/(km·h-1)50km/h初速度滑行126.00754.3321.56直接檔最低穩(wěn)定車速26.4127.6528.44直接檔(5檔)加速32.42587.0229.83542.7630.10545.05起步換擋加速26.78600.0225.57574.4726.53592.87

2.2經(jīng)濟性分析

發(fā)動機臺架試驗中分別對燃用93#汽油和M15甲醇汽油時4G15S發(fā)動機的外特性油耗數(shù)據(jù)進行檢測，結果見表6。整車道路試驗中分別對燃用93#汽油、M15和M25甲醇汽油時汽車的燃料消耗量進行檢測，結果見表7。

由表6可以看出，在不同轉速下，4G15S發(fā)動機燃用M15甲醇汽油后油耗普遍上升，油耗ge平均上升7.88%，油耗Gt平均上升10.73%。由表7可以看出，在各種測試工況下，現(xiàn)代ix35汽車燃用M15和M25甲醇汽油的消耗量均大于燃用93#汽油，其中M25甲醇汽油的消耗量更大(M15平均節(jié)油率為-8.92%，M25平均節(jié)油率為-13.43%)，對93#汽油的替代率也更大(M15平均替代率為10.69%，M25平均替代率為24.00%)。同一牌號的甲醇汽油，節(jié)油率越低，則替代率越低。

分析其原因，主要是甲醇的熱值較低(低位熱值19.7 MJ/kg)，只有汽油(低位熱值42.5 MJ/kg)的約1/2，因此同等出力下消耗量更多，導致甲醇汽油的油耗大于93#汽油。而M25的甲醇含量大于M15，所以在同等情況下M25甲醇汽油消耗得更多。油耗上升是燃用甲醇汽油不可避免的問題，但考慮到甲醇價格大幅度低于成品汽油、甲醇汽油改性添加劑用量少以及燃油替代率等方面的綜合因素，顯然油耗增加的程度處于可接受的范圍內，其對甲醇汽油的實際應用影響不大。

表6 93#汽油和M15甲醇汽油發(fā)動機臺架試驗(經(jīng)濟性)檢測結果Table6 Enginebenchtest(economicperformance)resultsof93#gasolineandM15methanolgasoline轉速n/(r·min-1)油耗ge/(g·(kW·h)-1)油耗Gt/(kg·h-1)93#汽油M15變化量93#汽油M15變化量4200280.7292.3+11.614.615.6+1.03800280.9281.5+0.613.914.1+0.23400258.7284.3+25.611.813.4+1.63000248.3289.6+41.39.611.8+2.22600259.4274.3+14.97.88.6+0.82200252.7279.9+27.26.27.0+0.82000246.2274.1+27.95.76.4+0.71800257.7268.8+11.15.35.6+0.3

表7 93#汽油、M15和M25甲醇汽油整車道路試驗(經(jīng)濟性)檢測結果Table7 Vehicleroadtest(economicperformance)resultsof93#gasoline,M15andM25methanolgasoline檢測項目93#汽油消耗量/(L·(100km)-1)M15甲醇汽油M25甲醇汽油消耗量/(L·(100km)-1)節(jié)油率/%替代率/%消耗量/(L·(100km)-1)節(jié)油率/%替代率/%等速行駛6.597.09-7.5911.787.35-11.5425.27加速行駛17.2319.03-10.459.4319.53-13.3524.06六工況5.075.58-10.069.755.93-16.9621.64限定條件7.668.24-7.5711.798.57-11.8825.04 注:1.節(jié)油率(%)=(93#汽油消耗量-甲醇汽油消耗量)×100/93#汽油消耗量。2.替代率(%)=(93#汽油消耗量-甲醇汽油消耗量×甲醇汽油中的汽油比例)×100/93#汽油消耗量。

調制甲醇汽油的經(jīng)濟效益主要取決于產(chǎn)品所執(zhí)行的標準，標準要求越高，調制成本就越高，所產(chǎn)生的經(jīng)濟效益就越低。以M15和M25甲醇汽油為例，其在滿足不同標準技術要求下的經(jīng)濟效益預估結果見表8。

表8 符合不同標準要求的M15、M25甲醇汽油經(jīng)濟效益預估結果Table8 EconomicbenefitforecastresultsofM15andM25methanolgasolineaccordingwithdifferentstandards國內甲醇汽油標準調制成本/(元·t-1)與93#汽油銷售差價/(元·L-1)凈利潤/(元·t-1)DB61/T352-20048321.5-0.13267.5M15CAS47-20077913.5-0.3442.5D14/T92-20087771-0.5311.0M25DB61/T353-20047538.5-0.5530.8 注:1.M15、M25甲醇汽油密度分別按0.73g/cm3和0.74g/cm3計算。2.甲醇汽油售價為2012-08-03報價,國標93#汽油和甲醇售價分別按8800元/t和2750元/t計算。

由表8可知，若93#汽油價格不變，則當甲醇價格分別超過3 017.5元/t、3 192.5元/t和3 061元/t時，生產(chǎn)分別符合DB 61/T 352-2004、CAS 47-2007和D 14/T 92-2008三種標準的M15甲醇汽油將沒有利潤；而當甲醇價格超過3 280.8元/t時，生產(chǎn)符合DB61/T 353-2004標準的M25甲醇汽油將不具有競爭性。在低比例范圍內，生產(chǎn)甲醇含量越高的甲醇汽油，則經(jīng)濟效益越好。

2.3平穩(wěn)性分析

甲醇揮發(fā)性強，甲醇汽油在使用時，容易在汽車油路中氣化(尤其是夏季氣溫較高時)，從而使供油不連續(xù)，導致氣阻現(xiàn)象發(fā)生，影響汽車發(fā)動機運轉、威脅駕駛人員安全。

前期通過對低比例甲醇汽油餾程和蒸氣壓特性進行研究，認為甲醇汽油中低沸點組分含量增加以及甲醇與汽油中的某些烴類形成共沸物是導致其揮發(fā)性增強的主要原因。針對此問題，優(yōu)選了適合的添加劑以改善甲醇汽油揮發(fā)性。所選擇的添加劑可以降低甲醇汽油飽和蒸氣壓約10個單位，同時校正甲醇汽油的餾程曲線，從而能夠有效減少甲醇汽油在使用過程中發(fā)生氣阻的可能性，同時減少油品的蒸發(fā)損失。在現(xiàn)場測試過程中，沒有出現(xiàn)發(fā)動機油路氣阻現(xiàn)象，車輛運行平穩(wěn)。

2.4排放特性分析

發(fā)動機臺架試驗中分別對燃用93#汽油和M15甲醇汽油時，4G15S發(fā)動機在怠速和高怠速下的污染物情況進行檢測，結果見表9。

表9 93#汽油和M15甲醇汽油發(fā)動機臺架試驗(排放特性)檢測結果Table9 Enginebenchtest(emissioncharacteristics)resultsof93#gasolineandM15methanolgasoline發(fā)動機狀態(tài)檢測樣品污染物排放濃度φ(CO)/%φ(HC)/10-6怠速93#汽油M15甲醇汽油0.450.3912397高怠速93#汽油M15甲醇汽油0.590.51185122

由表9可以看出，發(fā)動機燃用M15甲醇汽油后，其常規(guī)排放物CO和HC的濃度較燃用93#汽油時都有明顯下降，說明甲醇汽油的排放特性較好，能改善日益突出的汽車尾氣污染物排放問題。另外，由于苯、甲苯、二甲苯等芳烴的燃燒熱值高，相同出力情況下能減少油耗，其在有些甲醇汽油配方中多次出現(xiàn)，但芳烴的加入會惡化甲醇汽油的排放，使燃用后的污染物排放量增加。

3 結 論

93#汽油、M15和M25甲醇汽油的發(fā)動機臺架試驗和整車道路試驗結果表明：

(1) 研制的M15和M25甲醇汽油的動力性優(yōu)于93#汽油，燃用時，發(fā)動機功率和扭矩增大，汽車的最低穩(wěn)定車速增加、加速時間和加速距離減小。相對氧含量高的M25甲醇汽油的動力性稍遜于M15甲醇汽油，主要體現(xiàn)在起步換擋加速時的時間和距離。

(2) 研制的M15和M25甲醇汽油的經(jīng)濟性優(yōu)于93#汽油。雖然在燃用時，由于甲醇組分的熱值低，導致發(fā)動機和汽車的油耗都大于93#汽油，但考慮價格和燃油替代率等因素后，認為油耗增加的幅度不至影響二者的實際應用。

(3) 燃用M15和M25甲醇汽油時，發(fā)動機運轉平穩(wěn)、油路順暢，無氣阻現(xiàn)象發(fā)生，并且發(fā)動機尾氣污染物(CO和HC)排放量較燃用93#汽油時明顯減少。

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Usabilityresearchofthelowproportionalmethanolgasolineformotor

ZhangXinzhuang,ZhangShuqin,ZhangJuanli

(ResearchInstituteofShaanxiYanchangPetroleum(Group)Co.,Ltd,Xi'an710075,Shaanxi,China)

Combustion performance of the low proportional methanol gasoline used in 4G15S gasoline engine and Hyundai ix35 car was studied. Taking M15 and M25 methanol gasoline as test samples, burning characterized data about the dynamic performance, economy, stability and discharge were tested and compared with 93#gasoline. The results showed that the engine power increased, the acceleration time and acceleration distance decreased after burning M15 and M25 methanol gasoline; both effective fuel consumption rate and average fuel consumption increased; the stability is as the same as 93#gasoline; and CO and HC emissions of the tail gas decreased obviously. Research conclusions confirmed M15 and M25 methanol gasoline had good service performance, which could provide some reference basis for the practical application of the low proportion methanol gasoline.

methanol gasoline, dynamic performance, fuel consumption, emission characteristics

TE626.21

：ADOI: 10.3969/j.issn.1007-3426.2014.01.009

2013-07-25；編輯：康莉

張新莊(1985-)，男，陜西禮泉人，工程師，現(xiàn)就職于陜西延長石油(集團)有限責任公司研究院， 主要從事能源化工工藝方面的工作。地址:(710075)陜西省西安市高新區(qū)科技二路75號延長石油204室。E-mail：zxzunm@163.com