车用M85甲醇烃类燃料的发动机性能试验研究*

杨 丹，白国福，彭 芬，张海荣，熊 莲，陈新德†

（1. 中国科学院广州能源研究所，广州 510640；2. 深圳市涤牌燃料开发有限公司，广东 深圳 518109）

车用M85甲醇烃类燃料的发动机性能试验研究*

杨 丹1，白国福2，彭 芬1，张海荣1，熊 莲1，陈新德1†

（1. 中国科学院广州能源研究所，广州 510640；2. 深圳市涤牌燃料开发有限公司，广东 深圳 518109）

本文介绍了一种醇烃燃料的制备方法，并对该醇烃燃料的排放特性、速度特性和负荷特性进行了试验研究，探讨了内燃机燃烧该醇烃燃料和92#汽油在动力性、经济性和尾气排放三个方面的差异。研究结果表明，和92#汽油相比，该醇烃燃料的最大输出功率略有增加：耗油率增加了5.5%～6.0%，尾气中CO含量下降了95%～96.3%、HC含量上升了24%～27%。因此，从较低成本、CO含量降低等角度分析，该醇烃燃料可以部分或完全替代汽油。

醇烃燃料；内燃机；汽油机；台架试验

0 前 言

近年来，随着能源、资源消耗量的不断增大，加之石油资源紧缺，持续的工业化增长伴随着车辆的广泛使用，抵消了尾气排放控制所取得的技术进展，国内已经开始减少对石油的依赖[1]。我国的能源结构特点是煤多油少、地区分布不均衡，因此以煤为原料生产甲醇，再以甲醇代替汽油是改善能源结构的重要措施；特别是在少油地区，大力开发醇类燃料势在必行。目前研究较热的甲醇燃料成为新燃料的代表，是理想的石油替代品。

目前的汽车发动机代用燃料以甲醇汽油为主[2-5]，世界各国根据不同国情，研发了M3（在汽油里添加3%甲醇）、M5、M10、M15、M20、M50、M85等不同掺和比的甲醇汽油。然而低甲醇汽油组成中汽油仍占主要成分，导致甲醇汽油成本高，生产原料受到能源限制，且当汽油含量低于15%时，其制备过程会出现分层现象，导致甲醇汽油性能不稳定，从而使汽车动力不足；如果使用高甲醇含量的甲醇汽油，不仅需要对汽车的燃料供应系统做改动[6]，同时存在点火难、冷启动难等问题[7]。同时，汽油中含有的苯、烯烃、硫等对环境污染严重，降低燃料中的硫含量，改进汽油中苯、芳烃、烯烃等组成性质，不断提高车用燃料质量，是摆在石油化工行业面前的一项刻不容缓的任务。

一般而言，醇类燃料由于醇类物质的高汽化潜热及低饱和蒸气压将导致点火难、冷起动困难等问题，醇类物质低热值使同等车况下油耗量增加。本论文针对以上问题，选用挥发度适中的戊烷做点火剂，以解决点火难、冷启动困难等问题；添加对二甲苯来提高燃料的耐烧度，从而降低行车油耗量。需要指出的是，对二甲苯属低毒物质，但由于添加量较低，安全隐患较小；对二甲苯和戊烷虽然价格较高，但添加量少，加之甲醇价格低廉，故醇烃燃料的成本较汽油低。

本文研制的车用醇烃燃料甲醇含量达到85%，无需更改汽车发动机等装置可以直接使用，且该燃料性能稳定，成本低，可以达到节约石油资源。将调配好的醇烃燃料，送往国家石油石化产品质量监督检验中心（广东）进行质检。

1 实验方法与装置

原料甲醇、二甲苯、戊烷均为分析纯，从国药集团化学试剂有限公司购买，使用前未做任何处理。将甲醇、对二甲苯、戊烷按照85∶7.5∶7.5的质量配比称量，进行混合，搅拌1 h后，沉淀、过滤，密封存放24 h即得车用醇烃燃料。通过在传祺汽油发动机上分别燃用92#汽油和本文调配的醇烃燃料进行台架性能对比试验，考察该醇烃燃料尾气排放性、速度特性试验和负荷特性试验，为评价醇烃燃料的性能提供实验依据。台架试验在广州机械科学研究院油品中心进行，所用的主要实验仪器及设备见表1。

表1 台架试验主要仪器及设备Table 1 Main instruments and equipments of bench test

2 实验结果与讨论

2.1 M85醇烃燃料理化性能测试

表2 是M85醇烃燃料理化性能的检测结果，可以看到，各项测试指标均优于国标中的指标，尤其是硫含量、钠含量、锰含量和胶质含量都远远低于国标中的指标含量。另外，M85醇烃燃料中甲醇含量较高，烃类含量较低，提高了醇烃燃料的含氧量，有助于燃料在内燃机中充分燃烧，进而可相应减少尾气的排放量。因此，该醇烃燃料较汽油更清洁、更环保，是汽油和甲醇汽油等燃料的较佳替代品。

表2 M85车用醇烃燃料检测指标及检测结果Table 2 Testing index and results of M85 vehicle methanol-hydrocarbon fuel

2.2 怠速排放性能试验

本实验采用自由加速双怠速法，按照GB/T 14951-2007标准进行排放性能试验。其中怠速工况是指发动机无负载运转状态，即离合器处于接合位置，变速器处于空挡位置；油门踏板处于完全松开位置；高怠速工况指用油门踏板将发动机转速稳定控制在50%额定转速。本标准将轻型汽车的高怠速转速规定为2 500 ± 100 r/min。双怠速检测过程包括：发动机由怠速工况加速至70%额定转速，维持运转30 s后降至高怠速工况（轻型车2 500 ± 100 r/min）；尾气分析仪取样探头插入排气管400 mm深并固定；发动机维持高怠速15 s后，尾气分析仪开始取值，读取30 s内的最高值和最低值，取平均数为高怠速排放测试结果；发动机由高怠速工况降至怠速工况；待发动机维持高怠速15 s后，尾气分析仪开始取值，读取30 s内的最高值和最低值，取平均数为怠速排放测试结果。分别燃用M85醇烃燃料与92#汽油的汽车进行尾气污染物的测试，结果见表3。尾气排放数据显示，高怠速条件下，内燃机燃烧醇烃燃料比燃烧92#汽油的CO排放量下降了96.3%，HC化合物增加了24%；低怠速条件下，CO排放量下降了95%，HC增加了27%。由检测结果可以看出，燃烧车用M85醇烃燃料的尾气排放中，HC含量有所升高，但CO排量显著降低。

表3 M85醇烃燃料和92#汽油的排放情况Table 3 Exhaust emission of M85 methanol-hydrocarbon fuels and 92# gasoline

尾气排放的NOx中，NO占95%以上，其在发动机高负荷工况时的高温条件下产生，由空气中的氧和氮结合而生成，在发动机温度达800℃时，生成的NO浓度很高。在普通怠速情况下，发动机负荷低，氮氧结合慢，生成的NO浓度低，所以怠速条件下测NO意义并不大。因此，在双怠速法测试排放污染物时，国家标准中并未给出NOx的排放限值，一般测试结果只给出CO和HC含量。

2.3 总功率对比试验

发动机总功率对比试验按照GB/T 18297-2001中总功率的规定进行，油门全开，在发动机工作转速范围内，依次改变转速进行试验。图1和图2是发动机在100%油门开度下，转速在1500 r/min～4 000 r/min之间的试验性能动态对比曲线。随着转速的增加，两种燃料的功率P几乎是沿直线迅速增加，而扭矩增加缓慢。当转速在1 500 r/min～2 800 r/min，车用M85醇烃燃料的扭矩和功率略高于92#汽油，推测原因主要有：甲醇理论空燃比仅为汽油的45%左右，在同样的过量空气系数下，燃料与空气混合气的单位体积低热值反而比汽油稍高；另外，甲醇的辛烷值较高，发动机可以使用较高压缩比，容许较大的点火提前角，从而获得更大的功率。结果说明M85醇烃燃料燃烧时的发动机动力性能较92#汽油略有提高。由图1和图2还可以看出，车用醇烃燃料的速度特性曲线与汽油相似，都是平稳变化的，从侧面反映了该醇烃燃料的均一性和燃烧的稳定性，表明该醇烃燃料可用于汽油机。

图1 M85醇烃燃料（样品）和92#汽油（原机）的汽油发动机扭矩的对比试验Fig. 1 Engine torque contrast test of M85 methanol-hydrocarbon fuels and 92# gasoline

图2 M85醇烃燃料（样品）和92#汽油（原机）发动机总功率对比试验Fig. 2 Engine total power contrast test of M85 methanol- hydrocarbon fuels and 92# gasoline

2.4 负荷特性试验

发动机负荷特性对比试验按照GB/T 14951-2007中负荷特性的规定进行，测试时，选用常用转速进行试验。图3～图5分别是M85醇烃燃料和92#汽油在不同转速条件下的负荷特性曲线。由图可知，无论是在低转速1 600 r/min、2 000 r/min，还是在高转速3 000 r/min条件下，随着功率P的增加，两种燃料的消耗率都会随之改变，且变化趋势一致。当功率小于15 kW时，燃料消耗率下降，而当功率大于15 kW时，燃料消耗率缓慢上升，M85醇烃燃料比92#汽油更为明显。这表明同等车况下，使用M85醇烃燃料的油耗较92#汽油高，这主要是由于甲醇的低位热值（19.83 kJ/kg）小，导致M85醇烃燃料低位热值（27.497 kJ/kg）较92#汽油的低位热值低 （43.5 kJ/kg）引起的，然而甲醇的辛烷值（106～115）较高，抗爆性能好，使得到的M85醇烃燃料的辛烷值较高（为106，见表2），这样的高辛烷值燃料可以满足高压缩比汽油机的需要，汽油机压缩比高，则热效率高，可以节省燃料，因此油耗增加量不会很高[6]。从图3～图5可知，在不同转速条件下，燃烧M85醇烃燃料的最低燃料消耗率比92#汽油分别上升了5.51%、5.88%、5.86%。同时，按照燃料目前的实际价格计算，车用M85醇烃燃料成本仅为92#汽油的37%，如表4所示，这可以解决高出的油耗带来的成本问题，从而具备更大的经济竞争优势。由图3～图5还可看出，燃用车用M85醇烃燃料的三负荷特性曲线与92#汽油相似，都是平稳变化的，同样反映了该燃料的均一性和燃烧的稳定性，表明该醇烃燃料完全可用于汽油发动机上。

图3 M85醇烃燃料（样品）和92#汽油（原机）在转速为1 600 r/min的发动机负荷特性曲线Fig. 3 Motors' load characteristic curve of M85 methanolhydrocarbon fuels and 92# gasoline at 1 600 r/min

图4 M85醇烃燃料（样品）和92#汽油（原机）在转速为2 000 r/min的负荷特性曲线Fig. 4 Motors' load characteristic curve of M85 methanolhydrocarbon fuels and 92# gasoline at 2 000 r/min

图5 M85醇烃燃料（样品）和92#汽油（原机）在转速为3 000 r/min的负荷特性曲线Fig. 5 Motors' load characteristic curve of M85 methanol- hydrocarbon fuels and 92# gasoline at 3 000 r/min

表4 M85醇烃燃料和92#汽油价格Table 4 Prices of M85 methanol-hydrocarbon fuels and 92# gasoline

3 结 论

试验在汽油发动机未做任何改动的情况下，对燃用M85醇烃燃料的发动机台架性能与燃用92#汽油的相比，结果如下：

（1）尾气中HC含量上升了24%～27%，但CO含量下降了95%～96.3%；

（2）在100%油门开度下，转速在1 500 r/min～4 000 r/min之间，其最大功率比92#汽油增加了3.35%，最大扭矩增加了3.37%；

（3）1 600 r/min、2 000 r/min和3 000 r/min负荷特性试验结果显示，其最低燃料消耗率比92#汽油分别上升了5.51%、5.88%、5.86%。

综上所述，虽然发动机燃用M85醇烃燃料比92#汽油的耗油量上升，但从动力角度看，车用M85醇烃燃料输出功率有所增加；从经济角度考虑，车用M85醇烃燃料成本仅为92#汽油的37%左右；从环保角度看，尾气中CO排放量下降显著。因此，该燃料可以部分或完全替代汽油在汽油内燃机中使用。

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Research on Performance of Gasoline Engine Operating on M85 Methanol-hydrocarbon Fuels

YANG Dan1, BAI Guo-fu2, PENG Fen1, ZHANG Hai-rong1, XIONG Lian1, CHEN Xin-de1
(1. Guangzhou Institute of Energy Conversion, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510640, China；2. Shenzhen DMMP Fuel Development Co.,Ltd, Guangdong Shenzhen 518109, China)

This paper introduced a preparation method of methanol-hydrocarbon fuels. The fuel emission characteristics, speed characteristics and load characteristic were experimentally studied. The performances of power, fuel economy and exhaust emission of combusting the methanol-hydrocarbon fuels and 92# gasoline was analyzed. The results show that compared with 92# gasoline, the maximum output power of methanol-hydrocarbon fuels increased slightly: the fuel consumption increased by 5.5%～6.0%, the CO content in exhaust gas decreased by 95%～96.3%, and the HC content increased by 24%～27%. Therefore, considering of the low cost and low CO emission, the methanol-hydrocarbon fuels can partially or completely replace gasoline fuels.

methanol-hydrocarbon fuel； IC engine； gasoline engine； bench test

TK01

A

10.3969/j.issn.2095-560X.2015.05.006

2095-560X（2015）05-0352-05

杨 丹（1989-），女，硕士，研究实习员，主要从事下游化工产品的开发利用。

2015-08-04

2015-09-10

醇烃燃料工艺技术及应用研究项目（y510081001）；“十二五”国家科技支撑计划项目（2012BAD32B07）；江苏省科技计划（BE2013083）

† 通信作者：陈新德，E-mail：chenxd@ms.giec.ac.cn

陈新德（1967-），男，博士，正高级工程师，主要从事下游化工产品的开发利用。