賈偉藝 李洪娟 彭 勝 王志彥

（1-開灤煤化工研發(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-唐山開灤化工科技有限公司）

引言

近年來，我國通過油品升級來防治大氣污染的工作力度明顯加大。2016 年12 月，國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局和國家標(biāo)準化委員會聯(lián)合發(fā)布實施了GB 17930-2016 車用汽油國家標(biāo)準，提出2019 年1月1 日起全國實施國ⅥA 汽油標(biāo)準，2023 年1 月1日起全國實施國ⅥB 汽油標(biāo)準。2017 年3 月發(fā)布實施的《京津冀及周邊地區(qū)2017 年大氣污染防治工作方案》中，明確提出要加強油品質(zhì)量管理，提前實施國Ⅵ汽油標(biāo)準。2017 年9 月，GB 18351-2015 車用乙醇汽油（E10）發(fā)布實施，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家標(biāo)準涉及多方面的原因尚未出臺，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)準先后發(fā)布實施。但多年來，科研人員對低比例甲醇汽油的研究并沒有因此而止步。

目前，國內(nèi)對低比例甲醇汽油的研究多以M15為主[1-5]，對乙醇汽油的研究多數(shù)集中在我國即將全面推廣應(yīng)用的E10 乙醇汽油上[6-8]，而針對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。本文通過發(fā)動機轉(zhuǎn)矩、油耗、功率試驗，系統(tǒng)研究了92#汽油、E15 乙醇汽油、M15 甲醇汽油的速度特性、負荷特性和排放特性，并分別進行了比較。

1 研究方法

1.1 試驗材料

試劑：92#汽油，市售；甲醇，工業(yè)級優(yōu)等品，市售；乙醇，工業(yè)級優(yōu)等品，市售；甲醇汽油添加劑（自制）；乙醇汽油添加劑（自制）。試驗用汽油、乙醇、甲醇部分參數(shù)見表1。

表1 試驗用汽油、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0.7%）、乙醇汽油添加劑（質(zhì)量比不超過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)準要求[10-11]。

1.2 試驗設(shè)備

1.2.1 發(fā)動機臺架試驗設(shè)備

發(fā)動機臺架試驗是在機械工業(yè)內(nèi)燃機油品檢驗評定中心經(jīng)國家認證認可監(jiān)督管理委員會資質(zhì)認定的發(fā)動機評定臺架上進行的。臺架試驗布置示意圖如圖1 所示[12]。

圖1 發(fā)動機臺架試驗布置示意圖

臺架試驗評定用發(fā)動機的主要參數(shù)見表2。

表2 評定用發(fā)動機主要參數(shù)

臺架試驗評定用測功機為CW-160 電渦流測功機，額定制動功率為160 kW，額定轉(zhuǎn)速為7 000 r/min。

1.2.2 發(fā)動機排氣污染物排放試驗設(shè)備

發(fā)動機排氣污染物排放是唐山廣運機動車檢測公司采用SVW7203VPD 帕薩特轎車測定的，試驗所用排氣分析儀型號為MQW-50A。

1.2.3 餾程測定設(shè)備

油品餾出物為10%、50%體積分數(shù)時的溫度（簡稱t10%、t50%），通過大連匯豐石油儀器有限公司的DHF-003C 蒸餾測定器測定獲得。

1.3 試驗方法

1.3.1 發(fā)動機臺架試驗方法

根據(jù)GB/T 18297-2001 汽車發(fā)動機性能試驗方法[13]，開展發(fā)動機臺架試驗。按標(biāo)準要求，發(fā)動機配備指定配件后起動，待轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩及排氣溫度穩(wěn)定1 min 后，在發(fā)動機油門全開的條件下，先保持發(fā)動機轉(zhuǎn)速在一定的規(guī)定范圍，然后逐漸改變轉(zhuǎn)速以達到測量要求，分別記錄功率、轉(zhuǎn)矩、燃料消耗量等特征參數(shù)，測量燃料消耗量的時間不少于20 s。

在發(fā)動機轉(zhuǎn)速不變的情況下，從小負荷開始，逐步開大油門，直至油門全開，適當(dāng)?shù)胤植紲y量點，記錄功率、轉(zhuǎn)矩、燃料消耗量等特征參數(shù)，繪制發(fā)動機負荷特性曲線。

1.3.2 發(fā)動機排氣污染物排放試驗方法

依照GB 18285-2005 點燃式發(fā)動機汽車排氣污染物排放限值及測量方法（雙怠速法及簡易工況法）[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，對同一工況下的尾氣排放進行常規(guī)排放檢測。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 餾程特性測定試驗

根據(jù)GB/T 6536-2010 石油產(chǎn)品常壓蒸餾特性測定法[15]，對本試驗餾程相關(guān)數(shù)據(jù)進行測定。

2 結(jié)果與分析

2.1 發(fā)動機速度特性測試

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

表3 92#汽油的速度特性測試結(jié)果

在100%負荷、不同轉(zhuǎn)速下，3 種燃料的發(fā)動機輸出轉(zhuǎn)矩見圖2，輸出功率見圖3。

通過圖2、圖3 可以看出，在100%負荷下，3 種燃料的輸出功率、輸出轉(zhuǎn)矩變化趨勢基本一致。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)動機轉(zhuǎn)速保持在2 500～3 500 r/min（低轉(zhuǎn)速）時，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。這主要是因為低轉(zhuǎn)速時，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試結(jié)果

表5 M15 甲醇汽油的速度特性測試結(jié)果

圖2 100%負荷下發(fā)動機的輸出轉(zhuǎn)矩

圖3 100%負荷下發(fā)動機的輸出功率

本文對與車輛起動性能、發(fā)動機暖機時間及發(fā)動機加速性能相關(guān)的油品蒸發(fā)性能指標(biāo)t10%、t50%進行測定，測定結(jié)果見表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。這主要是因為加入甲醇/乙醇后，汽油變得更容易揮發(fā)，發(fā)動機加速變得更加靈活，運行更加穩(wěn)定，這也是低轉(zhuǎn)速時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，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，醇類汽油低熱值因素的影響增強，超過了辛烷值提高及氧氣助燃作用的影響。臺架試驗結(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，本試驗所用測功機的最高轉(zhuǎn)速能達到6 000 r/min，但是在本文的臺架試驗中，最高轉(zhuǎn)速控制在5 000 r/min。在對比試驗中，轉(zhuǎn)速的相關(guān)控制對試驗結(jié)果無影響。

2.2 發(fā)動機負荷特性試驗

利用發(fā)動機負荷特性曲線，可以更全面地確定發(fā)動機在各種負荷下的經(jīng)濟性。本試驗對92#汽油、E15 乙醇汽油和M15 甲醇汽油等3 種燃料進行了2 500 r/min 下的負荷特性對比試驗，通過該試驗對比3 種燃料的燃油經(jīng)濟性。試驗結(jié)果如圖4 所示。

圖4 發(fā)動機負荷特性曲線對比

根據(jù)圖4 可以看出，在發(fā)動機轉(zhuǎn)速一定時，當(dāng)節(jié)氣門剛打開，負荷較小時的情況下，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)氣門緩慢開啟、負荷逐漸增大的過程中，燃油消耗率逐漸降低直至到達最低點，這時節(jié)氣門已經(jīng)接近全開。繼續(xù)增大節(jié)氣門開度時，燃油消耗率又逐漸上升。在整個試驗工況，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，此結(jié)果與通過燃料低熱值計算所得結(jié)果并不完全相同。醇基液體燃料低熱值可由公式（1）進行計算。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。

計算時，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 種試驗燃料低熱值的計算結(jié)果見表7。

若只按照低熱值計算燃料經(jīng)濟性，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l(fā)動機負荷特性試驗所得數(shù)據(jù)遠低于這2 個數(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?、沸點低、蒸發(fā)性好及含氧助燃等多個方面。

表7 試驗燃料的低熱值

將通過低熱值計算出的燃油消耗率升高率與通過負荷特性試驗所獲得的數(shù)據(jù)進行對比，可以看出，在實際的應(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)動機排氣污染物排放試驗

對發(fā)動機燃用不同燃料時所排放污染物進行試驗，試驗結(jié)果及對比情況見表8。

表8 發(fā)動機排氣污染物排放試驗結(jié)果

由表8 可知，大多數(shù)工況下，醇類汽油對CO、HC 排放改善較大。這是由于HC 和CO 的形成，更多是由于燃料沒有進行完全燃燒。HC 和CO 的形成與過量空氣系數(shù)緊密相關(guān)，通常情況下，HC 和CO 排放伴隨過量空氣系數(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，怠速CO 排放比燃用汽油時降低了29.8%；燃用M15甲醇汽油時，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 乙醇汽油怠速時的HC 排放高于92#汽油。原因極大可能是乙醇在燃燒過程中沒有參與燃燒或者沒有完全燃燒，通過曲軸箱附近排入大氣。另外，燃料蒸發(fā)也是原因之一。周龍保等人認為，壁面淬熄、狹隙效應(yīng)等是HC 產(chǎn)生的主要來源。當(dāng)火焰?zhèn)鞑ブ翚飧妆诿娓浇鼤r，壁面具有一定的冷卻效果，導(dǎo)致火焰無法完全傳播至壁面，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。通過提高潤滑油性能或?qū)ζ蜋C的點火時間等參數(shù)進行優(yōu)化調(diào)整，可進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，通過發(fā)動機臺架試驗與污染物排放試驗，考察了轉(zhuǎn)矩、功率、油耗、CO 排放、HC 排放試驗結(jié)果，分析了燃料的速度特性、負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)速時作用明顯，在低轉(zhuǎn)速時，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，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，但遠低于通過低熱值所計算出的理論數(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，若進一步優(yōu)化點火時間、ECU 匹配等，可進一步發(fā)揮醇類汽油的優(yōu)勢，達到更好的節(jié)能減排效果。