車用M85甲醇汽油動力性和經濟性實驗研究

史本偉，王文璇，郭忠慶，邱坤

(長安大學汽車學院，陜西西安 710064)

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車用M85甲醇汽油動力性和經濟性實驗研究

史本偉，王文璇，郭忠慶，邱坤

(長安大學汽車學院，陜西西安 710064)

采用發動機外特性實驗研究M85甲醇汽油的動力性和經濟性。實驗結果表明：車用M85甲醇汽油最大輸出功率比RON93號汽油高0.2%～3.3%；車用M85甲醇汽油實測燃油消耗率比RON93號汽油高出38%～62%，M85甲醇汽油與國標汽油的替代比約1.5∶1.0；經過等熱值燃油消耗率轉化以后，車用M85甲醇汽油等熱值燃油消耗率比RON93號汽油低9%～24%。所以RON93號汽油改為M85甲醇汽油后，動力性和經濟性都得到一定提升，滿足使用要求。

M85甲醇汽油;經濟性;動力性;實驗

0　引言

我國內燃機2012年產量為7 700萬臺，已經成為世界排名第一的內燃機生產大國，隨之帶來的是油品消費的大幅增長。2012年我國共消耗商品油2.7億噸，其中汽油7 738萬噸，柴油16 717萬噸，我國石油的對外依存度達到57%，已經遠遠超過了能源安全警戒線。此外，大量的汽柴油燃燒也帶來了環境污染等問題。

根據我國缺油少氣相對富煤的能源國情，利用煤、煤層氣、焦爐氣，特別是利用焦爐氣和含硫量高的劣質煤生產甲醇，不僅使資源得到了有效利用，又減少了劣質煤對環境的污染。通過利用甲醇燃料代替汽柴油是有效解決目前我國能源緊張局面的方法。

面對這種情況，我國政府非常重視清潔、新型代替能源的發展。2009年11月1日GB/T23510-2009《車用甲醇燃料》、2009年12月1日GB/T23799-2009《車用甲醇汽油(M85)》標準開始實施；2010年國家標準化委員會下達了“車用甲醇汽油添加劑”、“甲醇含量的測試方法”兩項國家標準編制的任務書；2012年12月，國家工信部在陜西、山西和上海實施甲醇燃料試點運行。

1　甲醇與汽油的理化性質對比分析

甲醇是國際公認的環保新燃料，是一種輕質、無色、透明、可燃、易揮發的液體。內燃機燃燒所用的汽柴油燃料屬于烴類物質，而甲醇是烴基與羥基組成的化合物，從化學性質上看甲醇完全可以替代內燃機的汽柴油燃料。

甲醇和汽油在辛烷值、熱值、空燃比、飽和蒸汽壓、燃燒特性、蒸發特性等方面有很多相似之處，也存在差異。如表1所示：甲醇的化學式CH3OH，含碳量為37.5%，含氫量為12.5%，含氧量為50%，汽油是由C6—C12的烴類組成的混合物；甲醇的熱值為19.6 MJ/kg，汽油的熱值為43.5 MJ/kg，約為甲醇的二倍；甲醇的RON辛烷值為114，汽油的RON辛烷值約為89～98；甲醇的蒸發潛熱為1.088 kJ/kg，汽油的蒸發潛熱只有0.31～0.34 kJ/kg，僅為甲醇的1/3；甲醇的理論空燃比為6.4，而汽油理論空燃比是甲醇的兩倍多，約為14.2～15.1。

表1　各燃料理化特性

由上可知：甲醇的含氧量較高，且空燃比僅為汽油的一半，所以甲醇完全燃燒時需要的空氣較少，可使甲醇燃燒更加充分，熱效率得到提高，也彌補了甲醇熱值低所造成的部分損失；甲醇的熱值為汽油熱值的一半，在做相同的功時，燃料的消耗量會增加；甲醇的辛烷值比汽油辛烷值高，所以甲醇汽油的抗爆性較好，燃燒條件得到優化，也會使熱效率得到提高。綜上所述，當甲醇與汽油制成混合燃料時，具有良好的抗爆性和燃燒性，能保證發動機平穩運轉。

2　實驗

2.1實驗條件

(1)環境狀況：大氣壓力95.8 kPa，干球溫度28 ℃，球溫度25 ℃。

(2)試驗燃料： M85甲醇汽油，燃料密度：0.79 kg/L； 93號汽油，燃料密度：0.74 kg/L。

(3)試驗儀器設備見表2。

表2　試驗儀器

2.2試驗項目

對M85甲醇汽油與RON93號汽油分別進行發動機外特性實驗。

3　動力性分析

發動機最大輸出功率是指發動機在全負荷狀態下，僅帶維持運轉所必需的附件時所輸出的功率，又稱總功率。實驗通過分別測定RON93號汽油和M85甲醇汽油的發動機最大輸出功率，來分析它們的動力性。

分別對RON93號汽油和M85甲醇汽油在發動機臺架上進行外特性實驗，實驗條件為節氣門全開，測試不同轉速下發動機的最大輸出功率，其結果如圖1、圖2所示。

分析圖1、圖2可知：使用M85甲醇汽油的發動機在各轉速下的最大輸出功率，比使用RON93號汽油所產生的最大輸出功率略高；在發動機轉速2 000～3 400 r/min下，使用M85甲醇汽油所產生的最大輸出功率會比使用RON93號汽油高約1.5%～3.5%；發動機轉速在1 800 r/min以下及3 800 r/min以上時，最大輸出功率提高0.5%左右。所以，將使用RON93號汽油的發動機改為使用M85甲醇汽油，其動力性在各個轉速下不但沒有下降反而有一定的提高，滿足使用要求。

特別需要指出的是：此實驗是在發動機參數沒有做任何改變下得到的實驗數據，如果將其參數做一定的調整，使其更加適應甲醇燃料的工作條件，動力性的提高會更加明顯。

甲醇的低熱值僅約為汽油低熱值的一半，將RON93號汽油改為M85甲醇汽油動力性沒有下降反而有一定提高的原因是：甲醇的化學式CH3OH，其含氧量達到50%，甲醇混合燃料的自供氧能力使其燃燒更加充分，提高了熱效率，一定程度上彌補了甲醇熱值低的損失；另一方面，甲醇的辛烷值比汽油的高，所以使用甲醇混合燃料時抗爆性更好，會使燃料的熱效率得到提高，動力性得到加強。

4　經濟性分析

發動機每發出1 kW有效功率，在1 h內所消耗的燃油質量(以g為單位)稱為燃油消耗率，用ge表示,單位為g/(kW·h)。此實驗通過分別測定RON93號汽油和M85甲醇汽油的燃油消耗率，來分析它們的經濟性。

分別對RON93號汽油和M85甲醇汽油在發動機臺架上進行外特性實驗，實驗條件為節氣門全開，測試出不同轉速下發動機的燃油消耗率，其結果如圖3、圖4所示。

從圖3、圖4可以看出，使用M85甲醇汽油的發動機在各轉速下的實測燃油消耗率，比使用RON93號汽油的燃油消耗率高；在1 800～2 600 r/min之間時，使用M85甲醇汽油比使用RON93號汽油實測燃油消耗率增加50%～62%；在3 000～4 200 r/min之間時，使用M85甲醇汽油比使用RON93號汽油實測燃油消耗率增加35%～50%。原因是甲醇的低熱值約為汽油低熱值的一半，所以要獲得相同的功率必須提高供油量，實測燃油消耗率必然增加。

為了更加科學地比較M85甲醇汽油與RON93號汽油的經濟性，使用等熱值燃油消耗率。以實測燃油消耗率為基準，按照等熱值原理，根據燃料的密度和低熱值，將實測燃油消耗率轉化為等熱值燃油消耗率。

式中：BSe為M85甲醇汽油等熱值燃油消耗率；

BSa為M85甲醇汽油實測燃油消耗率；

Hm為M85甲醇汽油低熱值，取19.6 MJ/kg；

ρm為M85甲醇汽油的密度，取0.79 g/cm3；

Hg為RON93號汽油的低熱值，取43.5 MJ/kg；

ρg為RON93號汽油的密度，取0.74 g/cm3。

經過計算轉換后，M85甲醇汽油等熱值燃油消耗如圖5、圖6所示。

從圖5、圖6可以看出：M85甲醇汽油在各個轉速下的等熱值燃油消耗率比RON93號汽油的燃油消耗率低；在1 800～2 600 r/min時等熱值燃油消耗率低10%～15%；在3 000～4 200 r/min時等熱值燃油消耗率低17%～23%。這是因為甲醇混合燃料的反應速率得到提高，火焰傳播速度更快，另外，甲醇的含氧量更高，抗爆性更好，使燃燒更加完全，因此M85甲醇汽油的經濟性更好。

特別需要指出的是，此實驗是在發動機參數沒有做任何改變下得到的實驗數據，如果將其參數做一定的調整，使其更加適應甲醇燃料的工作條件，經濟性的提高會更加明顯。

5　結論

(1)車用M85甲醇汽油最大輸出功率比RON93號汽油高0.2%～3.3%，所以汽油機改用M85甲醇汽油時滿足動力性要求。

(2)車用M85甲醇汽油實測燃油消耗率比RON93號汽油高出38%～62%，M85甲醇汽油與國標汽油的替代比約1.5∶1.0。

(3)經過等熱值燃油消耗率轉化以后，車用M85甲醇汽油等熱值燃油消耗率比RON93號汽油低9%～24%，所以M85甲醇汽油燃燒更加完全，經濟性更好。

【1】劉生全.車用甲醇燃料應用技術[M].北京：人民交通出版社，2013.

【2】商紅巖.車用M85甲醇汽油燃料的動力性和排放特性試驗研究[J].中國石油大學學報，2014(3)：164-168.

【3】曾東建.汽油機燃用甲醇汽油的動力性、經濟性及非常規排放物試驗研究[J].小型內燃機與摩托車，2009(3)：50-53.

Experiment Study on Economy and Power of M85 Methanol Gasoline

SHI Benwei,WANG Wenxuan,GUO Zhongqing,QIU Kun

(Chang’an University, Xi’an Shaanxi 710064,China)

The power and economy performance of M85 methanol gasoline were studied by engine external characteristic test. The experimental results show that:when using M85 methanol gasoline instead of RON 93 gasoline，the maximum output power is increased by 0.2%～3.3%; the measured fuel consumption rate is increased by 38%～62%, which is 1.5∶1.0 in average; after the heating value fuel consumption rate conversion, M85 methanol heating value fuel consumption rate is 9%～24% lower than that of RON93 gasoline.So power and economy have been raised after using M85 methanol gasoline and the use requirement is satisfied.

M85 methanol gasoline; Economy; Power; Experiment

2015-03-21

史本偉(1991—)，男，碩士研究生，研究方向為載運工具運用工程。E-mail:292398546@qq.com。