车用M85甲醇汽油理化性质实验研究与动力排放评价

穆仕芳，宋 灿，尚如静，魏灵朝，蒋元力

（1.河南能源化工集团研究院有限公司，河南 郑州 450046；2.中国科学院山西煤炭化学研究所煤转化国家重点实验室，山西 太原 030001）

我国2016年石油的对外依存度已达60%以上，成为世界上最主要的能源消费进口大国，能源安全面临严峻挑战。在石油众多代用燃料中，甲醇以其资源丰富、价格适宜、容易制取和良好的物化特性，在内燃机替代燃料应用研究中越来越受到重视[1-4]。 2009年 7月，《车用甲醇汽油 (M85)》（GB/T 23799-2009）标准正式颁布，据有关部门统计，2016年国内甲醇生产能力7990万t，产量4740万t，开工率59.3%，开发甲醇大规模下游应用迫在眉睫，推广应用M85甲醇汽油可明显消化过剩甲醇产能，提高甲醇装置开工率，增加企业经济效益。

M85甲醇汽油具有燃烧充分、尾气排放中碳氢化合物、氮氧化合物和碳氧化合物等有害气体少等优点，但存在对汽油发动机的腐蚀性和对橡胶制品的溶胀率较大、易分层、冷启动性能较差等缺点[5-7]。为满足车用M85甲醇汽油应用需要，本文系统开展其理化性质研究，研制出符合国家标准要求的车用燃料。在此基础上，采用发动机外特性实验，研究M85甲醇汽油的动力性和排放性。

1 实验方案

遇水抗相分离实验：以不同的助溶剂配制M85甲醇汽油。取甲醇汽油样品100mL，置于100mL的比色管中，向比色管中逐滴加入蒸馏水，然后振荡，若样品在3分钟内保持澄清、无相分离，则继续加入蒸馏水，直至样品变浑浊，最后记录所加水占样品的体积分数。

低温稳定性试验：取M85甲醇汽油样品100mL，置于100 mL的比色管中，将比色管垂直放置于-30℃的低温冰箱中进行低温测试，48h后取出，观察样品是否澄清、有无相分离。

金属腐蚀性能试验：以一定比例的M85甲醇汽油为实验样品，添加不同的金属腐蚀抑制剂，将大小为40mm×10mm×2mm的黄铜、紫铜、铝、铁和不锈钢等材质的金属试片，浸入试液中，常温浸泡4个月，每月更换甲醇汽油试样并称重试片，计算金属失重百分数（腐蚀率）并观察试片外观变化。

非金属溶胀性能试验：参考 《GB/T 1690-2006硫化橡胶耐液体试验方法》，橡胶溶胀程度用质量相对增量△m和体积相对增量△V表示，实验条件为室温（12～18℃），避光。

与纯汽油或乙醇汽油互溶性试验：取M85甲醇汽油 50mL, 分别加入 5、10、20、30、40、50、60、70、80、90、100、110、120、130、140、150mL 的 纯 汽 油 或乙醇汽油，检验其是否澄明或是否出现分层现象。

2 实验结果及分析

2.1 车用M85甲醇汽油理化性质

2.1.1 低温和遇水抗相分离性能

以M85甲醇汽油的遇水抗相分离性能和低温稳定性为目标，对多种助溶剂进行了筛选和复配试验。采用甲基叔丁基醚、正丁醇、异丁醇、正辛醇、异辛醇、span80、吐温20等及其复合物作为助溶剂，进行了对比实验，对助溶剂进行了筛选，并对其用量进行了初步确定。部分实验结果见表1。

表1 单一助溶剂实验结果

从表1可以看出，甲基叔丁基醚、正丁醇、异丁醇、正辛醇、异辛醇等都可以作为M85甲醇汽油的助溶剂。为克服单一助溶剂在使用中的缺陷，在此基础上对助溶剂进行了复配试验，并对其用量进行优化，确定助溶剂最终配方ZRJ-16。

2.1.2 金属腐蚀抑制剂的研究

由于醇类产品（甲醇、乙醇等）在生产过程中（合成或发酵）不可避免地产生少量酸性物质，醇接触空气时由于氧化也会产生少量的有机酸，这些酸性物质会给发动机的金属部件带来腐蚀；而且醇类产品本身吸水性较强，在储运过程中会吸收空气中的微量水分，因电化学作用而加剧腐蚀。因此，甲醇对金属材料的腐蚀性是醇类燃料使用中必须解决的问题之一。

通过金属腐蚀抑制剂的筛选，确定了最终配方KFS-26，其主要成分包括抗氧剂、金属钝化剂、润滑剂等。采用该配方配制的M85甲醇汽油经河南省产品质量监督检验院国家车用乙醇汽油检测中心检测其铜片腐蚀实验达到1a级，符合GB17930-2006车用汽油标准。在此基础上进行了纯汽油与M85甲醇汽油对不同金属的腐蚀性研究，结果如表2所示。

表2 金属腐蚀率实验结果

从表2可以看出，与M85（无KFS-26）对比，添加了金属腐蚀抑制剂以后M85甲醇汽油的抗腐蚀性能明显增强。对比M85甲醇汽油和纯汽油对系列金属的腐蚀，可以发现金属腐蚀抑制剂的添加有效抑制了甲醇汽油对系列金属的腐蚀，可以满足使用要求。

2.1.3 非金属材料溶胀抑制剂的研究

醇类燃料属化工溶剂，对汽车供油系统中非金属材料产生一定的腐蚀、溶胀作用，为改进甲醇燃料性能而使用的添加剂中的某些成分也会对橡胶和塑料部件产生不良的影响，从燃料的角度来解决甲醇汽油与车辆燃料系统材料的适应性问题，使甲醇燃料本身具有一定的防腐抗溶胀的性能。

根据 《GB/T 1690-92硫化橡胶耐液体试验方法》的规定，实验针对耐油橡胶（丁腈胶、氟橡胶和聚氨酯胶）、非耐油橡胶（硅橡胶、三元乙丙橡胶）等橡胶材料进行了M85甲醇汽油的适应性实验，同时考察KRZ-36有无对M85甲醇汽油溶胀性能的影响，实验结果见表3、表4。

表3 不同橡胶在甲醇汽油中一周的溶胀实验结果

从表3、表4可以看出：添加溶胀抑制剂KRZ-36后，M85甲醇汽油对非金属材料的溶胀作用明显降低；聚氨酯胶、氟橡胶、丁腈胶在溶胀性方面与甲醇汽油的兼容性较好，丁腈胶抗溶胀效果最为明显。研究发现，对于同一种橡胶，不同比例甲醇汽油的溶胀值相差不多，说明所配制甲醇汽油的非金属材料适应性较好。

表4 不同橡胶在甲醇汽油中四周的溶胀实验结果

2.1.4 M85甲醇汽油与纯汽油或乙醇汽油的互溶性

M85甲醇汽油与现有汽油的互溶性是M85甲醇汽油是否能够与现有汽油混合使用、对产品进行顺利推广的关键因素之一。实验结果显示所有样品均未发现分层现象，表明M85甲醇汽油可以与纯汽油或乙醇汽油以任意比互溶，可以在车辆上掺用。这为车辆运行中添加燃料、并保证正常行驶提供了基本保障。

2.1.5 M85甲醇汽油质量检测

根据优化的实验结果，将配制的M85甲醇汽油经河南省产品质量监督检验院国家车用乙醇汽油检测中心检测，检测结果见表5。

表5 M85甲醇汽油质量检测结果

从表5可以看出，研制的M85甲醇汽油实际胶质和未洗胶质大大低于GB/T 23799-2009车用甲醇汽油（M85）的标准要求；易造成腐蚀的硫含量和氯含量 （有机氯和无机氯含量）也低于标准要求，水分、蒸汽压、铅含量等符合标准要求。表明研制的M85甲醇汽油样品主要指标完全符合GB/T 23799-2009车用甲醇汽油（M85）标准要求。

2.2 车用M85甲醇汽油动力与排放性能评价

图1 外特性功率、扭矩曲线

图2 外特性油耗曲线

甲醇汽油的研发最终要在发动机或车辆上使用，因此委托西安汽车产品质量监督检验站对研制的车用M85甲醇汽油进行台架试验和道路试验。

2.2.1 M85甲醇汽油台架试验

台架试验在日本三菱公司4G15S发动机上进行，部分结果如图1、图2所示。从图1外特性功率、扭矩曲线可以看出，M85甲醇汽油的动力性能整体上与93#汽油相当，某些转速下略高于93#汽油；从图2外特性油耗曲线上可以看出，M85甲醇汽油的燃油消耗率高于93#汽油；图3给出了两种燃料在发动机转速2600r/min负荷特性下甲醛排放量对比，可以看出，燃用M85甲醇汽油甲醛排放量整体上高于93#汽油，在特定扭矩下二者数值较接近。

图3 两种燃料在发动机转速2600r/min负荷特性下甲醛排放量对比

台架试验结果表明：

①4G15S汽油机燃用车用甲醇汽油（M85）与燃用93#汽油相比，外特性在4200r/min，功率增大0.2kW，有效燃料消耗率平均上升46.97%。

②油耗对比：4G15S汽油机燃用车用甲醇汽油（M85）与燃用 93# 汽油相比，2000r/min、2400r/min、3000r/min、3400r/min负荷特性上有效燃料消耗率分别上升54.37%、46.63%、46.84%、42.4%，平均上升了47.56%。

③排放情况：燃用M85甲醇汽油与燃用93#汽油相比，在怠速工况 (900r/min)下CO排放量由0.17%下降到0.14%，HC排放量由82×10-6下降到70×10-6;高怠速工况 (2000r/min)下，CO排放量由0.58%下降到0.43%，HC排放量由58×10-6下降到41×10-6；在2600r/min负荷特性上，CO平均排放量由0.6%下降到0.4%，下降33.3%，HC排放量由75×10-6下降到 26×10-6， 下降了 65.8%，NOx平均排放量由 3614×10-6下降到 3227×10-6，下降了 10.7%，甲醛平均排放量由0.34mg/m3上升到0.6mg/m3，上升了76%。

2.2.2 道路试验

道路试验在实验车辆上进行，主要进行直接档加速性能试验、起步档加速性能实验、燃料消耗量实验以及最低稳定车速实验。结果表明实验车辆使用车用甲醇汽油（M85）在两种加速性能实验模式下燃料的加速性能均有所提高，在不同实验条件下燃料消耗量增加幅度为40%～60%，与台架试验及行车试验结果基本吻合。实验车辆燃用两种燃料的最低稳定车速几乎相同（24km/h、23km/h）。

3 结论

（1）研制的M85甲醇汽油符合国家标准（GB/T 23799-2009车用甲醇汽油（M85））各项要求。

（2）加入添加剂有效抑制了车用M85甲醇汽油的腐蚀溶胀问题。

（3）台架试验和道路试验表明，汽油机燃用M85甲醇汽油与燃用93#汽油相比，加速性能提高，常规排放物（CO、HC、NOx）有不同程度的下降，甲醛排放升高，应加强对甲醇汽油非常规排放物的研究，促进行业健康发展。

[1] 李文乐.甲醇汽油在国内外应用情况及分析[J].化工进展,2010,29(3):457-464.

[2] 彭致圭,孙茂华.甲醇燃料 [M].太原:山西科学技术出版社,2007:15.

[3] 王翔,郭拥军,张建军.甲醇、汽油及甲醇汽油做内燃机燃料的性质比较[J].化工时刊,2005,19(3):46-49.

[4] 穆仕芳,尚如静,魏灵朝,等.我国甲醇汽油的研究与应用现状及前景分析 [J].天然气化工—C1化学与化工,2012,37(1):62-66.

[5] 李晶晶,周郁良,刘晓辉,等.甲醇汽油性能实验的研究[J].天然气化工—C1化学与化工,2008,33(3):22-25.

[6] 穆仕芳,尚如静,宋灿,等.橡胶材料在甲醇汽油中抗溶胀性能的研究[J].天然气化工—C1化学与化工,2016,41(2):25-29.

[7] 李华静,梁耀东,孙喜荣,等.甲醇汽油对橡胶的溶胀性[J].石油化工,2016,45(10):1236-1242.