E15 與M15 做為車用內燃機燃料的應用性能比較

賈偉藝 李洪娟 彭 勝 王志彥

（1-開灤煤化工研發中心 河北 唐山 063611 2-河北省煤基材料與化學品技術創新中心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，國家質量監督檢驗檢疫總局和國家標準化委員會聯合發布實施了GB 17930-2016 車用汽油國家標準，提出2019 年1月1 日起全國實施國ⅥA 汽油標準，2023 年1 月1日起全國實施國ⅥB 汽油標準。2017 年3 月發布實施的《京津冀及周邊地區2017 年大氣污染防治工作方案》中，明確提出要加強油品質量管理，提前實施國Ⅵ汽油標準。2017 年9 月，GB 18351-2015 車用乙醇汽油（E10）發布實施，2018 年2 月，GB 35793-2018 車用乙醇汽油E85 發布。由于低比例甲醇汽油國家標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準先后發布實施。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集中在我國即將全面推廣應用的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用性能上有所區別。本文通過發動機轉矩、油耗、功率試驗，系統研究了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，工業級優等品，市售；乙醇，工業級優等品，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、甲醇部分參數見表1。

表1 試驗用汽油、乙醇、甲醇部分參數

分別選用市售92#汽油、工業甲醇、工業乙醇，以及甲醇汽油添加劑[9]（質量比不超過0.7%）、乙醇汽油添加劑（質量比不超過0.7%），按一定調配工藝配制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標準要求[10-11]。

1.2 試驗設備

1.2.1 發動機臺架試驗設備

發動機臺架試驗是在機械工業內燃機油品檢驗評定中心經國家認證認可監督管理委員會資質認定的發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 發動機臺架試驗布置示意圖

臺架試驗評定用發動機的主要參數見表2。

表2 評定用發動機主要參數

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，額定轉速為7 000 r/min。

1.2.2 發動機排氣污染物排放試驗設備

發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 餾程測定設備

油品餾出物為10%、50%體積分數時的溫度（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 發動機臺架試驗方法

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

在發動機轉速不變的情況下，從小負荷開始，逐步開大油門，直至油門全開，適當地分布測量點，記錄功率、轉矩、燃料消耗量等特征參數，繪制發動機負荷特性曲線。

1.3.2 發動機排氣污染物排放試驗方法

依照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（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排放檢測。設定怠速轉速為750 r/min，高怠速轉速為2 500 r/min。

1.3.3 餾程特性測定試驗

根據GB/T 6536-2010 石油產品常壓蒸餾特性測定法[15]，對本試驗餾程相關數據進行測定。

2 結果與分析

2.1 發動機速度特性測試

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

表3 92#汽油的速度特性測試結果

在100%負荷、不同轉速下，3 種燃料的發動機輸出轉矩見圖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、輸出轉矩變化趨勢基本一致。相比于92#汽油，醇類汽油的轉矩、功率等性能皆有不同程度的下降。發動機轉速保持在2 500～3 500 r/min（低轉速）時，92#汽油、M15 甲醇汽油、E15 乙醇汽油的轉矩關系為：92#汽油＞M15 甲醇汽油＞E15 乙醇汽油。這主要是因為低轉速時，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 甲醇汽油在相同轉速下的功率、轉矩高于E15乙醇汽油。

表4 E15 乙醇汽油的速度特性測試結果

表5 M15 甲醇汽油的速度特性測試結果

圖2 100%負荷下發動機的輸出轉矩

圖3 100%負荷下發動機的輸出功率

本文對與車輛起動性能、發動機暖機時間及發動機加速性能相關的油品蒸發性能指標t10%、t50%進行測定，測定結果見表6。

表6 92#汽油、E15 乙醇汽油、M15 甲醇汽油的蒸發性能比較

表6 的數據顯示，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，發動機加速變得更加靈活，運行更加穩定，這也是低轉速時醇類汽油與汽油的速度特性數據相差很小的原因。

當轉速在4 000～5 000 r/min（高轉速）時，相比于92#汽油，E15 乙醇汽油、M15 甲醇汽油的功率、轉矩均出現明顯下降，且M15 甲醇汽油的功率、轉矩降低幅度高于E15 乙醇汽油。這是由于在自然吸氣汽油機未做任何調整的情況下，低轉速下，ECU 調整的混合氣濃度偏高；高轉速下，ECU 調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速能達到6 000 r/min，但是在本文的臺架試驗中，最高轉速控制在5 000 r/min。在對比試驗中，轉速的相關控制對試驗結果無影響。

2.2 發動機負荷特性試驗

利用發動機負荷特性曲線，可以更全面地確定發動機在各種負荷下的經濟性。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 種燃料的燃油經濟性。試驗結果如圖4 所示。

圖4 發動機負荷特性曲線對比

根據圖4 可以看出，在發動機轉速一定時，當節氣門剛打開，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，這時節氣門已經接近全開。繼續增大節氣門開度時，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，此結果與通過燃料低熱值計算所得結果并不完全相同。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量百分比，%；MC為甲醇/乙醇在醇基液體燃料中的質量百分比，%；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。

根據公式（1），3 種試驗燃料低熱值的計算結果見表7。

若只按照低熱值計算燃料經濟性，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%。可知，發動機負荷特性試驗所得數據遠低于這2 個數據。造成該結果的因素可能有醇類辛烷值高、著火極限寬、火焰傳播速度快、沸點低、蒸發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據進行對比，可以看出，在實際的應用中，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 發動機排氣污染物排放試驗

對發動機燃用不同燃料時所排放污染物進行試驗，試驗結果及對比情況見表8。

表8 發動機排氣污染物排放試驗結果

由表8 可知，大多數工況下，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緊密相關，通常情況下，HC 和CO 排放伴隨過量空氣系數的增大而減少[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，燃料蒸發也是原因之一。周龍保等人認為，壁面淬熄、狹隙效應等是HC 產生的主要來源。當火焰傳播至氣缸壁面附近時，壁面具有一定的冷卻效果，導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，造成淬冷層內醇類含量增加，使得HC 排放增加。通過提高潤滑油性能或對汽油機的點火時間等參數進行優化調整，可進一步降低污染物排放。

3 結論

本文研究了E15 乙醇汽油、M15 甲醇汽油與92#汽油的應用性能，通過發動機臺架試驗與污染物排放試驗，考察了轉矩、功率、油耗、CO 排放、HC 排放試驗結果，分析了燃料的速度特性、負荷特性和排放特性等車用應用性能。結果表明，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速時作用明顯，在低轉速時，E15 乙醇汽油、M15 甲醇汽油的應用性能與92# 汽油差別很小，且M15 甲醇汽油的應用性能優于E15乙醇汽油。在高轉速時，與92#汽油相比，E15 乙醇汽油、M15 甲醇汽油的功率、轉矩均出現比較明顯的下降，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據。E15乙醇汽油、M15 甲醇汽油均為優良的汽油替代燃料，若進一步優化點火時間、ECU 匹配等，可進一步發揮醇類汽油的優勢，達到更好的節能減排效果。