穆仕芳，宋 燦，尚如靜，魏靈朝，蔣元力

（1.河南能源化工集團(tuán)研究院有限公司，河南 鄭州 450046；2.中國(guó)科學(xué)院山西煤炭化學(xué)研究所煤轉(zhuǎn)化國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030001）

我國(guó)2016年石油的對(duì)外依存度已達(dá)60%以上，成為世界上最主要的能源消費(fèi)進(jìn)口大國(guó)，能源安全面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。在石油眾多代用燃料中，甲醇以其資源豐富、價(jià)格適宜、容易制取和良好的物化特性，在內(nèi)燃機(jī)替代燃料應(yīng)用研究中越來(lái)越受到重視[1-4]。 2009年 7月，《車(chē)用甲醇汽油 (M85)》（GB/T 23799-2009）標(biāo)準(zhǔn)正式頒布，據(jù)有關(guān)部門(mén)統(tǒng)計(jì)，2016年國(guó)內(nèi)甲醇生產(chǎn)能力7990萬(wàn)t，產(chǎn)量4740萬(wàn)t，開(kāi)工率59.3%，開(kāi)發(fā)甲醇大規(guī)模下游應(yīng)用迫在眉睫，推廣應(yīng)用M85甲醇汽油可明顯消化過(guò)剩甲醇產(chǎn)能，提高甲醇裝置開(kāi)工率，增加企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。

M85甲醇汽油具有燃燒充分、尾氣排放中碳?xì)浠衔铩⒌趸衔锖吞佳趸衔锏扔泻怏w少等優(yōu)點(diǎn)，但存在對(duì)汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的腐蝕性和對(duì)橡膠制品的溶脹率較大、易分層、冷啟動(dòng)性能較差等缺點(diǎn)[5-7]。為滿(mǎn)足車(chē)用M85甲醇汽油應(yīng)用需要，本文系統(tǒng)開(kāi)展其理化性質(zhì)研究，研制出符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求的車(chē)用燃料。在此基礎(chǔ)上，采用發(fā)動(dòng)機(jī)外特性實(shí)驗(yàn)，研究M85甲醇汽油的動(dòng)力性和排放性。

1 實(shí)驗(yàn)方案

遇水抗相分離實(shí)驗(yàn)：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(wú)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?jǐn)?shù)。

低溫穩(wěn)定性試驗(yàn)：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(jìn)行低溫測(cè)試，48h后取出，觀察樣品是否澄清、有無(wú)相分離。

金屬腐蝕性能試驗(yàn)：以一定比例的M85甲醇汽油為實(shí)驗(yàn)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(gè)月，每月更換甲醇汽油試樣并稱(chēng)重試片，計(jì)算金屬失重百分?jǐn)?shù)（腐蝕率）并觀察試片外觀變化。

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

與純汽油或乙醇汽油互溶性試驗(yàn)：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(yàn)其是否澄明或是否出現(xiàn)分層現(xiàn)象。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 車(chē)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(biāo)，對(duì)多種助溶劑進(jìn)行了篩選和復(fù)配試驗(yàn)。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(fù)合物作為助溶劑，進(jìn)行了對(duì)比實(shí)驗(yàn)，對(duì)助溶劑進(jìn)行了篩選，并對(duì)其用量進(jìn)行了初步確定。部分實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 單一助溶劑實(shí)驗(yàn)結(jié)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(chǔ)上對(duì)助溶劑進(jìn)行了復(fù)配試驗(yàn)，并對(duì)其用量進(jìn)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(lèi)產(chǎn)品（甲醇、乙醇等）在生產(chǎn)過(guò)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(shí)由于氧化也會(huì)產(chǎn)生少量的有機(jī)酸，這些酸性物質(zhì)會(huì)給發(fā)動(dòng)機(jī)的金屬部件帶來(lái)腐蝕；而且醇類(lèi)產(chǎn)品本身吸水性較強(qiáng)，在儲(chǔ)運(yùn)過(guò)程中會(huì)吸收空氣中的微量水分，因電化學(xué)作用而加劇腐蝕。因此，甲醇對(duì)金屬材料的腐蝕性是醇類(lèi)燃料使用中必須解決的問(wèn)題之一。

通過(guò)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(rùn)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(yàn)院國(guó)家車(chē)用乙醇汽油檢測(cè)中心檢測(cè)其銅片腐蝕實(shí)驗(yàn)達(dá)到1a級(jí)，符合GB17930-2006車(chē)用汽油標(biāo)準(zhǔn)。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了純汽油與M85甲醇汽油對(duì)不同金屬的腐蝕性研究，結(jié)果如表2所示。

表2 金屬腐蝕率實(shí)驗(yàn)結(jié)果

從表2可以看出，與M85（無(wú)KFS-26）對(duì)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(qiáng)。對(duì)比M85甲醇汽油和純汽油對(duì)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(duì)系列金屬的腐蝕，可以滿(mǎn)足使用要求。

2.1.3 非金屬材料溶脹抑制劑的研究

醇類(lèi)燃料屬化工溶劑，對(duì)汽車(chē)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(jìn)甲醇燃料性能而使用的添加劑中的某些成分也會(huì)對(duì)橡膠和塑料部件產(chǎn)生不良的影響，從燃料的角度來(lái)解決甲醇汽油與車(chē)輛燃料系統(tǒng)材料的適應(yīng)性問(wèn)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(yàn)方法》的規(guī)定，實(shí)驗(yàn)針對(duì)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(jìn)行了M85甲醇汽油的適應(yīng)性實(shí)驗(yàn)，同時(shí)考察KRZ-36有無(wú)對(duì)M85甲醇汽油溶脹性能的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3、表4。

表3 不同橡膠在甲醇汽油中一周的溶脹實(shí)驗(yàn)結(jié)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(duì)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(duì)于同一種橡膠，不同比例甲醇汽油的溶脹值相差不多，說(shuō)明所配制甲醇汽油的非金屬材料適應(yīng)性較好。

表4 不同橡膠在甲醇汽油中四周的溶脹實(shí)驗(yàn)結(jié)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(duì)產(chǎn)品進(jìn)行順利推廣的關(guān)鍵因素之一。實(shí)驗(yàn)結(jié)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(chē)輛上摻用。這為車(chē)輛運(yùn)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(cè)

根據(jù)優(yōu)化的實(shí)驗(yàn)結(jié)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(yàn)院國(guó)家車(chē)用乙醇汽油檢測(cè)中心檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 M85甲醇汽油質(zhì)量檢測(cè)結(jié)果

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

2.2 車(chē)用M85甲醇汽油動(dòng)力與排放性能評(píng)價(jià)

圖1 外特性功率、扭矩曲線(xiàn)

圖2 外特性油耗曲線(xiàn)

甲醇汽油的研發(fā)最終要在發(fā)動(dòng)機(jī)或車(chē)輛上使用，因此委托西安汽車(chē)產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)站對(duì)研制的車(chē)用M85甲醇汽油進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)和道路試驗(yàn)。

2.2.1 M85甲醇汽油臺(tái)架試驗(yàn)

臺(tái)架試驗(yàn)在日本三菱公司4G15S發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行，部分結(jié)果如圖1、圖2所示。從圖1外特性功率、扭矩曲線(xiàn)可以看出，M85甲醇汽油的動(dòng)力性能整體上與93#汽油相當(dāng)，某些轉(zhuǎn)速下略高于93#汽油；從圖2外特性油耗曲線(xiàn)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(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速2600r/min負(fù)荷特性下甲醛排放量對(duì)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(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速2600r/min負(fù)荷特性下甲醛排放量對(duì)比

臺(tái)架試驗(yàn)結(jié)果表明：

①4G15S汽油機(jī)燃用車(chē)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(duì)比：4G15S汽油機(jī)燃用車(chē)用甲醇汽油（M85）與燃用 93# 汽油相比，2000r/min、2400r/min、3000r/min、3400r/min負(fù)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(fù)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(yàn)

道路試驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)車(chē)輛上進(jìn)行，主要進(jìn)行直接檔加速性能試驗(yàn)、起步檔加速性能實(shí)驗(yàn)、燃料消耗量實(shí)驗(yàn)以及最低穩(wěn)定車(chē)速實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明實(shí)驗(yàn)車(chē)輛使用車(chē)用甲醇汽油（M85）在兩種加速性能實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ较氯剂系募铀傩阅芫兴岣?，在不同?shí)驗(yàn)條件下燃料消耗量增加幅度為40%～60%，與臺(tái)架試驗(yàn)及行車(chē)試驗(yàn)結(jié)果基本吻合。實(shí)驗(yàn)車(chē)輛燃用兩種燃料的最低穩(wěn)定車(chē)速幾乎相同（24km/h、23km/h）。

3 結(jié)論

（1）研制的M85甲醇汽油符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（GB/T 23799-2009車(chē)用甲醇汽油（M85））各項(xiàng)要求。

（2）加入添加劑有效抑制了車(chē)用M85甲醇汽油的腐蝕溶脹問(wèn)題。

（3）臺(tái)架試驗(yàn)和道路試驗(yàn)表明，汽油機(jī)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(yīng)加強(qiáng)對(duì)甲醇汽油非常規(guī)排放物的研究，促進(jìn)行業(yè)健康發(fā)展。

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