甲醇汽油在汽油機上的應用研究*

段敏偉 譚樹波 楊維成 宋家龍 喬擬春 羅 勇

(上海化工研究院醇醚燃料研究室 上海 200062)

引言

甲醇汽油作為一種性能優良的車用替代燃料，具有含氧量高、辛烷值高、抗爆性好、著火界限寬和燃燒清潔等特點［1～4］，可顯著提高發動機的熱效率和動力性［5］，具有廣闊的應用前景。據中國石化聯合會醇醚燃料及清潔汽車專業委員會不完全統計，2012年我國醇醚燃料共計消耗甲醇約1008萬噸，占同期甲醇表觀消費量的27．8%。醇醚燃料已成為甲醇下游第一消費領域，并呈快速增長趨勢，這對減少我國石油進口、平抑石油產品價格發揮著重要作用［6］。因此開展甲醇汽油在發動機上的應用研究，對解決目前能源緊缺的問題有著重大意義［7，8］。

雖然甲醇的燃燒性能與普通汽油相近，但甲醇的氧含量、辛烷值、熱值、蒸汽壓、蒸發潛熱和汽油存在明顯差異。本文著重研究標號M0、M15、M25、M35甲醇汽油相對于92#汽油給發動機穩定性、經濟性、動力性、排放性帶來的變化，以進一步證實甲醇汽油的可行性，將有利于推廣和規范甲醇燃料的實際應用。

1 實驗部分

1．1 實驗設備

實驗采用綿陽新晨JW491Q－ME型汽油機，壓縮比為8．8，最大功率為76kW(4200 ～4600 r/min)，最大扭矩為193 N·m(2000～2600 r/min)。其它主要測試設備見表1。

表1 主要測試設備

1．2 實驗樣品

92#汽油購自中石油上海大慶加油站，甲醇(工業級)購自上海焦化廠，甲醇汽油添加劑由本研究室研發配制，含腐蝕抑制劑和抗溶脹劑。本文采用固定添加劑質量比為3%，以甲醇的質量分數作為標號，分別配制了M0、M15、M25和M35四種標號的甲醇汽油，如M15由82%的92#汽油、15%的甲醇，3%的添加劑配制;而M0由97%的92#汽油和3%的添加劑配制，作為參比樣。不同標號燃油的主要理化指標見表2。

表2 不同標號燃油主要理化指標對比

1．3 經濟性分析

實驗過程中，原機結構和供油參數未做任何改動，即發動機的供油壓力、噴油嘴的啟噴壓力、供油提前角等參數均為原機數值。分別燃用92#汽油及上述四種不同標號的甲醇汽油進行2000 r/min負荷特性實驗，扭矩(Ttq)從20～120 N·m逐次增大，每增加10 N·m為一個實驗點，獲取每個實驗點的特征數據，含穩定工況下催化前尾氣中CO、HC和NOx(含催化后)的排放數據，每個實驗點重復測定3次。測試完畢后在短時間內不同日期再次測試一遍，采用相對標準偏差(RSD)考察短時間內不同日期實驗的穩定性。通過平均油耗量(B)、平均修正燃油消耗率(Be)等指標考察燃油的經濟性能。

1．4 動力性分析

與經濟性評價實驗相同，不改變發動機結構參數，分別燃用92#汽油和上述四種不同標號的甲醇汽油進行20%油門速度特性實驗。工況轉速(n)從4000至2200r/min逐次調整，每次降低300r/min為一個實驗點，實驗方法同上述1．3，也采用RSD考察短時間內不同日期實驗的穩定性。通過平均修正輸出功率(Pe)、Ttq等指標評價燃油的動力性能。

1．5 雙怠速下排放分析

參照國家標準GB 18285－2005《點燃式發動機汽車排氣污染物排放限值及測量方法》，采用雙怠速法(低怠速795r/min，高怠速2500r/min)分別監測92#汽油和不同標號甲醇汽油尾氣中HC、CO和NOx催化前排放含量，每個工況至少測試兩次，并考察實驗數據穩定性。

2 實驗結果與討論

2．1 經濟性對比

同標號燃油在相同Ttq下，多次重復實驗條件下各特征指標的RSD均小于2．5%，說明實驗重復性好，可滿足實驗穩定性要求。不同燃油在2000 r/min負荷特性下燃油油耗量B及燃油油耗率Be對比情況見圖1。由圖1可看出，各標號甲醇汽油的B值相差幅度不大，難以辨別優劣。經統計，甲醇汽油較92#汽油的B值增幅在5%內，說明甲醇促使燃油油耗小幅升高，但考慮到甲醇市場價格僅為汽油的1/4～1/3［9］，甲醇汽油經濟性會優于92#汽油。

此外，從表2可知，雖然M0的熱值較92#汽油低0．93%，但在相同Ttq下，M0相對92#汽油的油耗增加率介于－4．23～0．04%(負號表示省油)之間，說明加入的添加劑可提高燃油的燃燒效率，降低燃油油耗。為考察甲醇含量對燃油油耗的影響，增強實驗可比性，應以M0為基準，可排除添加劑干擾。在相同Ttq下，油耗高低為M15＞M35＞M25＞M0標號M15、M25和M35相對于M0的油耗增加率介于2．62～6．32%、0．08～2．67%和1．36～4．14%之間。而且從甲醇汽油的油耗高低排序可知，燃油油耗量與甲醇含量不成正相關關系，M25表現出最佳的燃燒性能。

圖1 2000 r/min負荷特性下燃料油耗對比

2．2 動力性對比

經統計，同種燃油在相同工況下各特征數據的RSD均分布在8%內，基本滿足實驗穩定性要求。92#汽油及不同標號甲醇汽油Pe及Ttq對比見圖2。

圖2 20%油門開度條件下燃油動力性對比

由圖2還可看出標號為M15、M25、M35的Pe與Ttq均高于92#汽油、M0甲醇汽油。標號為 M15、M25、M35相對于M0的 Pe增加率依次介于4．16～18．09%、4．45 ～13．72%、5．63 ～24．30% 之間，且 Ttq與Pe變化基本一致。較高的Pe增加率和Ttq增加率可說明甲醇汽油表現出更強勁的動力性，其主要原因是甲醇富氧，可使燃料燃燒更加充分，提高燃燒效率，從而增強了燃油的動力性能。

2．3 排放性分析－Ⅰ

汽油機的常規排放物主要是指 CO、HC和NOx，其中NOx包括 NO，N2O和 NO2，主要是 NO 和 NO2。在2000 r/min負荷特性和20% 油門速度特性實驗中，穩定工況下的不同燃油HC、CO、NOx排放分別見圖3和圖4。

圖3 2000 r/min負荷工況燃油排放對比

圖4 20%油門開度條件下燃油排放對比

由圖3、4可看出，燃用92#汽油及不同標號甲醇汽油尾氣中HC、CO、NOx的排放量與Ttq、n的變化規律基本一致。隨著甲醇含量的增大，燃油尾氣中HC、CO排放量大幅降低。尤其M35甲醇汽油的尾氣中HC、CO可保持在低水平排放，其HC排放量(10－6)低于100，最低約20，CO排放量基本在1%內，在低負荷時甚至接近零排放。在20%油門速度特性下，M35尾氣中HC排放量(10－6)均低于100，較92#的降低約50%。標號M15、M25、M35的CO排放含量較92#汽油都大幅降低，降幅分別為 14．3%、57．1%、78．6%。綜合兩種特性，都說明甲醇降低HC、CO的效果顯著，其主要原因與HC、CO的生成機理及甲醇的物性、含氧特性有關。由于甲醇的沸點低，混合氣可混合得更加均勻，且燃燒具有自供氧效應，燃燒狀況得到改善，有利于減少CO生成;同時因甲醇又是低碳燃料，含碳量較汽油低，有利于減少HC生成［10］。

相反地，從圖3、4還可看出，隨著甲醇含量的增大，燃油的NOx排放明顯升高，在Ttq=70N·m時達到最高水平，92#汽油、M0、M15、M25 和 M35 的 NOx排放量(10－6)最高約為 400、700、1000、2000 和 2500，之后排放穩定。另在速度特性下，92#汽油、M0、M15、M25和M35的NOx排放量(10－6)最高約為400、500、600、1200和1800。綜上所述，可說明高溫富氧促進了NOx的迅速生成。由于NOx是環保嚴格監控指標，降低其排放主要靠廢氣再循環技術(EGR)和三元催化還原，各標號燃油在2000 r/min負荷特性工況下，經三元催化器后的NOx排放情況見圖5。

圖5 2000 r/min負荷特性下催化后NOx排放對比

從圖5可以看出，各標號的燃油經三元催化器后的NOx排放隨排氣溫度先下降后升高，較同工況下催化前有大幅降低。在400～550℃，NOx排放較低，接近零排放，此時NOx的轉化率可達到90%以上，最高達99．02%。因此說明采用三元催化器可顯著降低NOx排放，甲醇汽油的NOx排放可控，但尾氣排放溫度超過600℃以上易導致催化劑失活，影響催化轉化效率。

2．3 排放性分析－Ⅱ

雙怠速工況下，燃用92#汽油和不同標號的甲醇汽油尾氣中HC、NOx、CO催化前排放含量比較見表3。

表3 雙怠速下不同燃油尾氣污染物測試數據

從表3可看出，對于同標號燃油，高怠速較低怠速工況的CO、NOx排放上升，HC排放下降。

對于不同標號的甲醇汽油，隨著甲醇含量的增大，HC、CO排放大幅降低，其中M35在高怠速和低怠速的HC排放量(10－6)僅為77和5，CO排放量(%)僅為0．16和0．6，降幅明顯。另外，相比于特性實驗，在怠速工況下，甲醇汽油的NOx排放量并未大幅增加，含量相差不大。在低怠速工況下，M15、M25、M35所排放的NOx較M0的都低，呈降低趨勢。因此可說明在雙怠速下，由于發動機在未加載負荷，甲醇對促進NOx的生成作用有限，NOx的生成量很大程度上取決于燃燒溫度。

3 結論

通過本實驗研究，可獲得以下結論:

1)在發動機未作任何改動或優化調整時，甲醇汽油具有良好的適應性，發動機運行平穩，實驗穩定性好。

2)輸出功率恒定時，燃油油耗量(B)高低依次為M15＞M35＞M25＞M0，M25燃燒性能最佳。雖然甲醇會使燃油油耗小幅升高，B值增幅在5%內，但綜合甲醇價格優勢，甲醇汽油經濟性優于92#汽油。

3)較高的Pe增加率和Ttq增加率都說明甲醇汽油動力性能強勁。

4)隨著甲醇含量的增大，燃油的HC、CO排放量大幅降低，M35接近零排放，甲醇可有效降低HC、CO排放。而NOx的生成量很大程度上取決于燃燒溫度，在怠速條件下，甲醇汽油的NOx排放與92#的相當，而高負荷時，甲醇汽油的NOx排放明顯高于92#，但經三效催化后，NOx排放降幅可高達99．02%，甲醇汽油的NOx排放可控。

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