車用M15甲醇汽油燃料的動力性和排放特性試驗研究

商紅巖，陳照軍，楊朝合，劉晨光，安高軍，洪正鵬，韓 瑜

(1.中國石油大學重質油國家重點實驗室，山東青島 266580;2.中國石油大學CNPC催化重點實驗室，山東青島 266580;3.解放軍總后勤部油料研究所，北京 102300;4.北京東方紅升新能源應用技術研究院，北京 100723)

汽油、柴油等燃油燃燒所排放出的碳固體微粒黑煙、碳氫化合物、CO、NOx、SOx等已成為大中城市的主要污染物來源［1］。中國煤制甲醇、天然氣制甲醇、焦爐氣制甲醇等技術成熟［2］，但消費量的增長速度遠未跟上甲醇產能和進口量的增長速度，中國甲醇產能一直處于過剩狀態，甲醇作為汽車替代燃料，技術路線包括化學轉換甲醇制汽油［3］(MTG)和物理調和甲醇汽油混合燃料。將甲醇按一定比例添加到汽油中并輔助于助溶劑和功能性添加劑調和成為甲醇汽油［4］，低比例M15甲醇汽油燃料中，以國標汽油組分為主，甲醇在汽油中的體積分數只有15%，汽車使用低比例摻燒甲醇汽油時不需要對發動機做改動，可單獨使用，也可與成品汽油、乙醇汽油混合使用或互換使用。由于甲醇汽油燃料本身含氧、辛烷值高，在汽車發動機中燃燒更加完全。筆者通過總功率試驗、穩定工況負荷性試驗、道路試驗和尾氣排放檢測試驗，系統研究低比例的M15甲醇汽油的動力性、燃油經濟性和外排放特性。

1 試驗

1.1 試劑

試驗試劑有:國標93#汽油(市售);甲醇(AR，西隴化工股份有限公司);失水山梨糖醇單脂肪酸酯(AR，國藥集團化學試劑有限公司);丙二醇二丁醚(AR，國藥集團化學試劑有限公司);碳酸二甲酯(AR，國藥集團化學試劑有限公司);清凈分散劑(自制);銅片腐蝕抑制劑(自制);橡膠溶脹抑制劑(自制);動力促進劑(自制)。

1.2 M15甲醇汽油的制備

在國標93#汽油中加入15%的優等級工業甲醇、0.5%的相穩定劑失水山梨糖醇單脂肪酸酯、2%的助溶劑丙二醇二丁醚和碳酸二甲酯、0.5%功能性添加劑(清凈分散劑+銅片腐蝕抑制劑+橡膠溶脹抑制劑+動力促進劑)，在調和罐中混合均勻得到M15甲醇汽油。

1.3 汽車的動力和排放特性試驗

汽車的常規排放和甲醛非常規排放試驗是在北京理工大學動力性與排放性測試國家專業試驗室進行的。試驗車輛是捷達舒適型FV7160CIF E3。

采用GB 18285-2000在用汽車排氣污染物限值及測試方法和GB18352.3-2005輕型汽車污染物排放限值及測量方法(中國Ⅲ、Ⅳ階段)。

測試儀器包括:底盤測功機PECD9400;排放分析儀MEXA7200H;定容采樣系統CVS7400T;高效液相色譜儀 HPLC1200;采樣泵AirChek2000;皂膜流量計Ultra Flow Calibrator709和DNPH Silica吸附管WAT037500。

采用DNPH管吸附排氣中的甲醛，用固相萃取裝置進行洗脫，洗脫液用高效液相色譜進行定性和定量分析甲醛等非常規排放物。

汽車的總功率、穩定工況全負荷特性和加速性能試驗分別采用GB1105.2-87內燃機臺架性能試驗方法試驗方法、GB/T12534-1990汽車道路試驗方法通則和GB/T12543-2009汽車加速性能試驗方法。

試驗車型有:金杯 SY6480AC-ME、起亞YQZ6490和帕薩特SVW7183LJ1。

2 試驗結果分析

2.1 動力性和燃油經濟性

工業甲醇和國標汽油在物性、燃燒特性、蒸發特性、辛烷值、熱值、空燃比自然溫度、飽和蒸汽壓等方面有許多相似之處，也存在物性差異。汽油是由C6～C12烴類組成的混合物，具有較高的辛烷值和優良的抗爆性，用于高壓縮比的點燃式汽油發動機上，具有良好的蒸發性和燃燒性，能保證發動機運轉平穩。

甲醇是由C、H、O組成的有機化合物，含氧量50%。甲醇的低熱值19.9 kJ/kg，約為汽油的45%;純甲醇的理論空燃比6.45，而汽油空燃比14.2～15.1，完全燃燒時所需的空氣比汽油少得多，可使汽油燃燒更加充分，提高汽油的熱效率，從而彌補甲醇熱值低所造成的部分損失;甲醇的蒸發潛熱1.088 kJ/kg，而汽油蒸發潛熱只有 0.31 ～ 0.34 kJ/kg［5］;甲醇的RON辛烷值約115，汽油的辛烷值約為90～97，所以甲醇和汽油按一定比例調和成為甲醇汽油作為點燃式發動機的液體燃料，需要甲醇在汽油中有一個合適量的范圍。

1 kg燃料完全燃燒理論上所需要的空氣量可按下式［6］計算:

式中，gC、gH、gO分別為燃料中碳、氫、氧的質量分數。

甲醇汽油的低熱值按下式計算:

式中，M甲醇、M汽油分別為甲醇汽油燃料中汽油和甲醇的質量分數。

式中，a為過量空氣系數;mT為燃料的相對分子質量。

通過上式可以估算出不同摻燒比例甲醇汽油燃料的理論空氣量、燃燒低熱值及化學計量混合氣低熱值，甲醇理論空氣量Lo為每千克燃料所需空氣質量，結果見圖1。從圖1看出，M5～M20甲醇汽油與普通汽油的特性相近，綜合考慮能源替代、燃油經濟性、安全性、可靠性，選用M15甲醇汽油做動力性、燃油經濟性、排放特性研究。

圖1 甲醇汽油燃料的性質參數隨摻燒比例的變化曲線Fig.1 Variation curves for parameters of methanol gasoline fuel with mixing proportion

汽車燃用M15甲醇汽油和93#號國標汽油的總功率試驗、穩定工況全負荷特性試驗和加速性能試驗結果見表1、2。

由表1看出，M15甲醇汽油的最大有效功率與93#普通汽油相當，總功率僅僅降低了0.98%。穩定工況全負荷特性試驗結果表明，在發動機轉速2000～3200 r/min范圍內，M15甲醇汽油的最低燃油消耗率與普通國標93#汽油相當。在發動機轉速2000～2400 r/min范圍內燃用甲醇汽油比燃用93#汽油節油0.344% ～0.575%;在發動機轉速2600～3200 r/min范圍內燃用93#汽油比燃用甲醇汽油多耗油0.094% ～0.112%。由表2看出，帕薩特、金杯汽車燃用M15甲醇汽油時的加速性能與燃用普通93#汽油相當，在誤差范圍之內。可見，汽車燃用M15甲醇汽油具有良好的動力性和燃油經濟性，M15甲醇汽油與國標汽油的替代比在(1.0～1.01)∶1.0。

汽車燃用M15甲醇汽油和93#國標汽油的道路試驗結果見表3。由表3看出，M15甲醇汽油的油耗略高于普通93#汽油，M15甲醇汽油與國標汽油的替代比約為1.02∶1.0。

表1 帕薩特穩定工況全負荷特性試驗結果Table 1 Full load characteristic test results in stable working condition for Passat

表2 加速性能試驗結果Table 2 Acceleration performance test results

這說明兩方面的問題:①在國標93#汽油中混入15%的甲醇，由于甲醇的熱值是汽油組分的45%，所以損失了6.75%的熱值;②甲醇氧含量50%，甲醇汽油混合燃料的自供氧能力提高了熱效率，使燃料燃燒更充分，并且甲醇的辛烷值高達110，M15甲醇汽油與普通93#汽油相比提高了辛烷值，從而提高了燃燒效率。燃燒效率的提高可以彌補98%熱值的損失，換句話講，M15甲醇汽油的熱效率比普通汽油提高了6.615%的熱效率。所以，M15甲醇汽油的動力性、加速性能、總功率與普通汽油相當。

表3 道路試驗結果Table 3 Road test results

2.2 排放特性

2.2.1 常規排放特性對比

汽車燃用M15甲醇汽油和國標93#汽油尾氣中未燃盡碳氫化合物含量及其對比見表4。可以看出，與國標93#汽油相比，燃用M15甲醇汽油汽車尾氣中未燃盡碳氫化合物的排放量降低了12%～61%，這是因為甲醇含氧量高，使得燃料在整個燃燒過程中燃燒充分，減少了碳氫化合物的生成量。

汽車燃用M15甲醇汽油和國標93#汽油尾氣中碳氧化合物含量及其對比見表4。碳氧化合物的排放量降低了18% ～75%。當供氧不足、有部分燃料不能完全燃燒的情況下會有大量碳氧化合物釋放。由于甲醇汽油的自含氧效應，使得發動機在補償了甲醇汽油汽化潛熱的前提下會形成均勻的混合氣，從而生成較少的碳氧化合物。

汽車燃用M15甲醇汽油和國標93#汽油尾氣中NOx化合物含量及其對比見表4。NOx的排放量總體來看增加1.0% ～12%。這是因為影響NOx生成主要有兩個方面的因素:①氧含量。氧含量低會抑制NOx的生成，相反氧含量高則促進NOx的生成，甲醇因其高富氧而促進NOx的生成;②滯留時間。因為NO化合物的生成速度低于燃燒反應，所以如果停留時間長，則利于NOx的生成。甲醇雖然在燃燒初期能夠促進反應，但是由于其熱值低，燃燒逐漸趨于緩慢，所以造成停留時間延長，從而促進NOx的生成。但是車型不同、發動機不同，結果也差別很大。比如帕薩特燃用M15甲醇汽油時尾氣中NOx的排放量比用93#國標汽油時尾氣中NOx的排放量減少約34.1%。

表4 汽車尾氣排放物含量對比Table 4 Comparison of vehicle emissions

2.2.2 非常規排放物

甲醇燃料汽車的常規排放優于汽油車，沒有致癌物苯的排放，但是發動機尾氣中的未燃甲醇和甲醛濃度較高，并且隨著燃料中甲醇比例的增加而增加。從環保考慮，甲醇燃料汽車尾氣中未燃甲醇和甲醛等非常規排放對環境及人類健康的潛在危害不容忽視［7-8］。為此，在北京理工大學動力性與排放性測試國家專業試驗室進行了汽車尾氣非常規排放試驗，試驗車輛是捷達舒適型FV7160CIF E3，車況良好，行駛里程18000 km。尾氣中非常規排放物的對比結果見表5。可以看出，汽車燃用93#汽油非常規排放物中也有甲醛，但是沒有乙醛、丙醛、丙烯醛和丙酮;汽車燃用M15甲醇汽油尾氣非常規排放物中既有甲醛，也有乙醛、丙醛、丙烯醛和丙酮。燃用M15甲醇汽油的尾氣中甲醛排放量略低于燃用普通93#汽油，并且非常規排放物總量也略低于燃用普通93#汽油，這與其他研究機構的結論不一致［9］，可能是由試驗車型、車況、M15甲醇汽油添加劑技術不同造成的。

和甲醇相比，汽油由幾百種不同的烴類物質組成，其中有一些如苯是強致癌物，尾氣排放中的丁二烯、甲醛、乙醛、苯、HC、NOx都是有毒物質。尾氣中含有烷烴、烯烴、芳烴及含氧有機化合物，用氣相色譜法可以識別的有200多種。其中，苯、1，3－丁二烯、甲醛、乙醛和環狀有機化合物為毒性有機化合物。應該指出，這些毒性有機化合物不僅來源于烯烴，汽油中的其他組分亦有貢獻，甚至烷烴氧化后也會生成毒性有機化合物。甲醇在水中降解比柴油和汽油更快，甲醇泄露到地上土壤中時，微生物會使醇的濃度迅速降低，比汽油和柴油造成的污染小、時間短。

甲醇燃料對環境更為有益，低比例甲醇汽油是清潔的替代能源。能夠代替石油的產品必須產量大、成規模，原料來源充分且獲取方便。甲醇汽油是一種廉價而清潔的車用燃料，由甲醇改性與汽油調配而成。甲醇可來源于煤、天然氣、焦爐氣、煤層氣及煤化工企業。發展煤基醇燃料，可大幅度提高煤炭的附加值，對促進中國能源資源更深層次的開發和利用具有重要意義。

表5 汽車尾氣中非常規排放物對比Table 5 Comparison of vehicle emissions of unregulated emissions 10－6

3 結論

(1)M15甲醇汽油的動力性、加速性能、總有效功率、發動機轉速2000～3200 r/min內最低燃油消耗率與普通國標93#汽油相當。

(2)汽車燃用M15甲醇汽油的油耗略高于普通93#汽油，與國標汽油的替代比約為1.02∶1.0。

(3)燃用M15甲醇汽油汽車尾氣中未燃盡碳氫化合物的排放量比燃用普通汽油降低了12%～61%;碳氧化合物的排放量降低了18% ～75%;起亞、金杯車NOx的排放量增加了1.0% ～12%，而帕薩特車NOx的排放量卻減少34.1%。

(4)燃用M15甲醇汽油汽車尾氣中除甲醛外，還有少量的乙醛、丙醛、丙烯醛和丙酮，但是甲醛的排放量甚至低于燃用普通93#汽油。

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