楊 丹，白國福，彭 芬，張海榮，熊 蓮，陳新德?

（1. 中國科學(xué)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(dòng)機(jī)性能試驗(yàn)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(xué)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(duì)該醇烴燃料的排放特性、速度特性和負(fù)荷特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究，探討了內(nèi)燃機(jī)燃燒該醇烴燃料和92#汽油在動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和尾氣排放三個(gè)方面的差異。研究結(jié)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(nèi)燃機(jī)；汽油機(jī)；臺(tái)架試驗(yàn)

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(zhǎng)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(shù)進(jìn)展，國內(nèi)已經(jīng)開始減少對(duì)石油的依賴[1]。我國的能源結(jié)構(gòu)特點(diǎn)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(jié)構(gòu)的重要措施；特別是在少油地區(qū)，大力開發(fā)醇類燃料勢(shì)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(dòng)機(jī)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(dǎo)致甲醇汽油成本高，生產(chǎn)原料受到能源限制，且當(dāng)汽油含量低于15%時(shí)，其制備過程會(huì)出現(xiàn)分層現(xiàn)象，導(dǎo)致甲醇汽油性能不穩(wěn)定，從而使汽車動(dòng)力不足；如果使用高甲醇含量的甲醇汽油，不僅需要對(duì)汽車的燃料供應(yīng)系統(tǒng)做改動(dòng)[6]，同時(shí)存在點(diǎn)火難、冷啟動(dòng)難等問題[7]。同時(shí)，汽油中含有的苯、烯烴、硫等對(duì)環(huán)境污染嚴(yán)重，降低燃料中的硫含量，改進(jìn)汽油中苯、芳烴、烯烴等組成性質(zhì)，不斷提高車用燃料質(zhì)量，是擺在石油化工行業(yè)面前的一項(xiàng)刻不容緩的任務(wù)。

一般而言，醇類燃料由于醇類物質(zhì)的高汽化潛熱及低飽和蒸氣壓將導(dǎo)致點(diǎn)火難、冷起動(dòng)困難等問題，醇類物質(zhì)低熱值使同等車況下油耗量增加。本論文針對(duì)以上問題，選用揮發(fā)度適中的戊烷做點(diǎn)火劑，以解決點(diǎn)火難、冷啟動(dòng)困難等問題；添加對(duì)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(duì)二甲苯屬低毒物質(zhì)，但由于添加量較低，安全隱患較??；對(duì)二甲苯和戊烷雖然價(jià)格較高，但添加量少，加之甲醇價(jià)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(dá)到85%，無需更改汽車發(fā)動(dòng)機(jī)等裝置可以直接使用，且該燃料性能穩(wěn)定，成本低，可以達(dá)到節(jié)約石油資源。將調(diào)配好的醇烴燃料，送往國家石油石化產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心（廣東）進(jìn)行質(zhì)檢。

1 實(shí)驗(yàn)方法與裝置

原料甲醇、二甲苯、戊烷均為分析純，從國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司購買，使用前未做任何處理。將甲醇、對(duì)二甲苯、戊烷按照85∶7.5∶7.5的質(zhì)量配比稱量，進(jìn)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(dòng)機(jī)上分別燃用92#汽油和本文調(diào)配的醇烴燃料進(jìn)行臺(tái)架性能對(duì)比試驗(yàn)，考察該醇烴燃料尾氣排放性、速度特性試驗(yàn)和負(fù)荷特性試驗(yàn)，為評(píng)價(jià)醇烴燃料的性能提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。臺(tái)架試驗(yàn)在廣州機(jī)械科學(xué)研究院油品中心進(jìn)行，所用的主要實(shí)驗(yàn)儀器及設(shè)備見表1。

表1 臺(tái)架試驗(yàn)主要儀器及設(shè)備Table 1 Main instruments and equipments of bench test

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 M85醇烴燃料理化性能測(cè)試

表2 是M85醇烴燃料理化性能的檢測(cè)結(jié)果，可以看到，各項(xiàng)測(cè)試指標(biāo)均優(yōu)于國標(biāo)中的指標(biāo)，尤其是硫含量、鈉含量、錳含量和膠質(zhì)含量都遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于國標(biāo)中的指標(biāo)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(nèi)燃機(jī)中充分燃燒，進(jìn)而可相應(yīng)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(cè)指標(biāo)及檢測(cè)結(jié)果Table 2 Testing index and results of M85 vehicle methanol-hydrocarbon fuel

2.2 怠速排放性能試驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)采用自由加速雙怠速法，按照GB/T 14951-2007標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行排放性能試驗(yàn)。其中怠速工況是指發(fā)動(dòng)機(jī)無負(fù)載運(yùn)轉(zhuǎn)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(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定控制在50%額定轉(zhuǎn)速。本標(biāo)準(zhǔn)將輕型汽車的高怠速轉(zhuǎn)速規(guī)定為2 500 ± 100 r/min。雙怠速檢測(cè)過程包括：發(fā)動(dòng)機(jī)由怠速工況加速至70%額定轉(zhuǎn)速，維持運(yùn)轉(zhuǎn)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(dòng)機(jī)維持高怠速15 s后，尾氣分析儀開始取值，讀取30 s內(nèi)的最高值和最低值，取平均數(shù)為高怠速排放測(cè)試結(jié)果；發(fā)動(dòng)機(jī)由高怠速工況降至怠速工況；待發(fā)動(dòng)機(jī)維持高怠速15 s后，尾氣分析儀開始取值，讀取30 s內(nèi)的最高值和最低值，取平均數(shù)為怠速排放測(cè)試結(jié)果。分別燃用M85醇烴燃料與92#汽油的汽車進(jìn)行尾氣污染物的測(cè)試，結(jié)果見表3。尾氣排放數(shù)據(jù)顯示，高怠速條件下，內(nèi)燃機(jī)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(cè)結(jié)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(dòng)機(jī)高負(fù)荷工況時(shí)的高溫條件下產(chǎn)生，由空氣中的氧和氮結(jié)合而生成，在發(fā)動(dòng)機(jī)溫度達(dá)800℃時(shí)，生成的NO濃度很高。在普通怠速情況下，發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷低，氮氧結(jié)合慢，生成的NO濃度低，所以怠速條件下測(cè)NO意義并不大。因此，在雙怠速法測(cè)試排放污染物時(shí)，國家標(biāo)準(zhǔn)中并未給出NOx的排放限值，一般測(cè)試結(jié)果只給出CO和HC含量。

2.3 總功率對(duì)比試驗(yàn)

發(fā)動(dòng)機(jī)總功率對(duì)比試驗(yàn)按照GB/T 18297-2001中總功率的規(guī)定進(jìn)行，油門全開，在發(fā)動(dòng)機(jī)工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，依次改變轉(zhuǎn)速進(jìn)行試驗(yàn)。圖1和圖2是發(fā)動(dòng)機(jī)在100%油門開度下，轉(zhuǎn)速在1500 r/min～4 000 r/min之間的試驗(yàn)性能動(dòng)態(tài)對(duì)比曲線。隨著轉(zhuǎn)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(dāng)轉(zhuǎn)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(cè)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(dòng)機(jī)可以使用較高壓縮比，容許較大的點(diǎn)火提前角，從而獲得更大的功率。結(jié)果說明M85醇烴燃料燃燒時(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)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(cè)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(jī)。

圖1 M85醇烴燃料（樣品）和92#汽油（原機(jī)）的汽油發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩的對(duì)比試驗(yàn)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(jī)）發(fā)動(dòng)機(jī)總功率對(duì)比試驗(yàn)Fig. 2 Engine total power contrast test of M85 methanol- hydrocarbon fuels and 92# gasoline

2.4 負(fù)荷特性試驗(yàn)

發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷特性對(duì)比試驗(yàn)按照GB/T 14951-2007中負(fù)荷特性的規(guī)定進(jìn)行，測(cè)試時(shí)，選用常用轉(zhuǎn)速進(jìn)行試驗(yàn)。圖3～圖5分別是M85醇烴燃料和92#汽油在不同轉(zhuǎn)速條件下的負(fù)荷特性曲線。由圖可知，無論是在低轉(zhuǎn)速1 600 r/min、2 000 r/min，還是在高轉(zhuǎn)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(huì)隨之改變，且變化趨勢(shì)一致。當(dāng)功率小于15 kW時(shí)，燃料消耗率下降，而當(dāng)功率大于15 kW時(shí)，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(dǎo)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(jī)的需要，汽油機(jī)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(huì)很高[6]。從圖3～圖5可知，在不同轉(zhuǎn)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(shí)，按照燃料目前的實(shí)際價(jià)格計(jì)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(jì)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。由圖3～圖5還可看出，燃用車用M85醇烴燃料的三負(fù)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(dòng)機(jī)上。

圖3 M85醇烴燃料（樣品）和92#汽油（原機(jī)）在轉(zhuǎn)速為1 600 r/min的發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)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(jī)）在轉(zhuǎn)速為2 000 r/min的負(fù)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(jī)）在轉(zhuǎn)速為3 000 r/min的負(fù)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(jià)格Table 4 Prices of M85 methanol-hydrocarbon fuels and 92# gasoline

3 結(jié) 論

試驗(yàn)在汽油發(fā)動(dòng)機(jī)未做任何改動(dòng)的情況下，對(duì)燃用M85醇烴燃料的發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架性能與燃用92#汽油的相比，結(jié)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(zhuǎn)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(fù)荷特性試驗(yàn)結(jié)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(dòng)機(jī)燃用M85醇烴燃料比92#汽油的耗油量上升，但從動(dòng)力角度看，車用M85醇烴燃料輸出功率有所增加；從經(jīng)濟(jì)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(nèi)燃機(jī)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(shí)習(xí)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(shù)及應(yīng)用研究項(xiàng)目（y510081001）；“十二五”國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（2012BAD32B07）；江蘇省科技計(jì)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(jí)工程師，主要從事下游化工產(chǎn)品的開發(fā)利用。