油品差异对汽车发动机性能影响的试验研究

周 哲，张振东，董旭峰，饶洪宇，张华清，李 凯

（1.上海理工大学 汽车工程研究所，上海 200093；2.上海汽车集团股份有限公司 商用车技术中心，上海 200438）

从改革开放以来，我国汽车产业迅猛发展。21世纪初，随着中国进入WTO以及中国经济的快速崛起，汽车工业得到了跳跃式前进。2007—2009年我国整车生产数量由世界第三跃居全球首位，到2014年，我国汽车产量超过2 300万辆，创全球历史新高，连续6年蝉联全球第一［1］。

但是，在全球主要汽车出口大国中，欧洲国家均位于前列，日本、德国、美国汽车出口量分别占本国整个产量的50.3%、75.9%和19.3%，我国汽车出口比例在各国中最低，仅为3.1%，2014年达到3.8%，由此也说明我国汽车工业的发展还有很大上升空间［1-2］。

在主要汽车出口国中，其他国家使用的汽油与我国不同，而针对其他油品全部做验证费时费力。目前国内外除汽油外使用最多的是醇类燃料和甲基叔丁基醚（methyl tert-butyl ether，MTBE）混合燃料。最早使用MTBE混合汽油的是欧洲，乙醇被用作燃料最早是在1908年。20世纪30年代，美国第一次将乙醇和汽油混合用作汽车燃料。近年来，德国、法国、泰国等也开始逐步加强对乙醇汽油的研究［1-2］。因此，本文重点研究我国出口马来西亚及泰国汽车所使用的MTBE（体积分数为10%）混合汽油、乙醇体积分数为20%（E20）的含水乙醇汽油与我国92号汽油的不同特性，并通过试验验证各油品对整车性能的影响。

1 不同油品的理化特性

1.1 E20 含水乙醇汽油的理化特性

E20含水乙醇汽油是90号汽油（体积分数占80%）和95%～97%纯度乙醇（体积分数占20%）的调和物。从微观角度来看，乙醇含有一个氧原子，因此乙醇是自含氧的；同时，乙醇作为一种液体，和汽油相比在很多性质上有一定的共性，但也存在很多不同。乙醇的理化性质如表1所示，表中理论空燃比指可燃混合气中空气质量与燃油质量之比。

表1 乙醇的理化性质Tab.1 Physical and chemical properties of ethanol

1.2 MTBE 混合汽油的理化特性

MTBE混合汽油的主要添加成分是MTBE，它可以提高汽车燃料的含氧量和改善发动机的排放特性。加入MTBE后，混合汽油的馏程也会发生改变，它可以降低混合汽油的馏出温度，对于提升汽油机的起动性有很大影响，同时它对汽油密度的影响与其在汽油中的浓度高低呈线性关系［2］。因此，MTBE混合汽油是醇类燃料中最有发展前途的燃料之一，而且MTBE的抗爆性能非常好，所以在一定程度上也可以改善汽车的燃油经济性。

MTBE的制作原料是甲醇和异丁烯。甲醇可从天然气、煤炭中提取，异丁烯可从石脑油裂解残渣的C4馏份中获得。得到MTBE的化学反应式为

表2给出了MTBE以及添加了体积分数为10%MTBE的混合汽油的理化特性。

表2 MTBE 及其混合汽油的理化性质Tab.2 Physical and chemical properties of MTBE and its blended gasoline

1.3 92 号汽油的理化特性

汽油是由原油分馏及重质馏分裂化制得，它是用量最大的轻质石油产品之一，是引擎的一种重要燃料。92号汽油就是辛烷值为92的汽油，其基本不含氧元素，外观常温下为易流动液体，颜色呈透明至淡黄色，很难溶解于水，同时汽油是可燃的，目前广泛使用在汽车上。汽油的理化性质如表3所示。

表3 汽油的理化性质Tab.3 Physical and chemical properties of gasoline

1.4 各油品热值和含氧量的比较

热值的含义是单位质量燃料充分燃烧时所释放的能量，主要用于表征燃料的放热能力。乙醇的低热值要低于汽油的，且随着乙醇的逐渐加入，混合燃料的低热值也会降低。因此，含水乙醇汽油的低热值会随着乙醇掺比上升呈下降趋势；MTBE混合汽油由于低热值和汽油相差不大，所以掺比对低热值影响不明显［1-2］。表4为各油品低热值与普通汽油的对比情况：E20含水乙醇汽油的低热值相当于汽油的92.2%；MTBE混合汽油的低热值相当于汽油的96.8%。所以就各油品低热值而言，使用E20含水乙醇汽油和MTBE汽油时，其产生的动力性均应低于92号汽油。

表4 各油品低热值对比Tab.4 Comparison of low calorific value among the fuels

乙醇和MTBE分子是自含氧的，它们和汽油调配成的混合燃料也成为含氧燃料。E20含水乙醇汽油、MTBE混合汽油和92号汽油中氧的质量分数分别为7%、2%和0%。混合燃料中氧的质量分数高于纯汽油且随其掺比的增加而增加，自含氧燃料在燃烧中更容易发生反应，使燃烧过程得到改善，热效率提高，从而可能会改变汽油机的经济性以及CO、HC的排放［1-3］。但是，氧的质量分数过大也会导致一些问题，如O2分子会破坏润滑油与气缸壁之间形成的润滑油膜造成磨损加剧，另外O2分子还会使润滑油发生氧化反应从而发生变质［2-3］。

2 试验台架与试验设备

发动机试验台架如图1所示。主要测试设备有AVL公司的电力测功机、燃油消耗测试仪以及排放分析仪等。试验所用的发动机为一台缸内直喷涡轮增压发动机，排量为2.0 L。在发动机试验台架上分别使用E20含水乙醇汽油、MTBE混合汽油和92号汽油作为燃料，然后进行试验分析。试验地点的海拔高度为0 m，大气压力为101 kPa，相对湿度为20%～45%，气温为25 ℃。考虑到试验为三种油品的对比试验，因此对测得的功率、燃油消耗率等参数不进行大气修正。整个试验阶段也不对发动机作任何调整。

图1 试验台架Fig.1 Test bench

3 试验结果与分析

整个试验中运用PUMA控制台架、记录台架数据，使用INCA软件记录发动机运行参数。试验通过外特性、负荷特性分别分析三种油品对发动机动力性及经济性的影响，并依据国家标准采用多工况法进行各油品排放特性的考核。

3.1 动力性

图2为发动机分别使用三种燃料时在各转速下的外特性转矩曲线。从图中可看出，使用E20含水乙醇汽油时，在发动机转速为1 000～2 500 r·min-1以及大于 3 600 r·min-1时，与使用92号汽油时相比转矩均下降，下降幅度均低于2.4%，对整机的动力性影响较小。主要原因在于：就低热值而言，醇类燃料比汽油低，所以在同样体积喷油量下循环放热量减少，使发动机动力性下降［3］。但由于乙醇的掺比较小，发动机每个进气行程吸入混合燃料的总能量相差不大，而且乙醇本身含氧，对促进燃烧有利。同时，乙醇汽化潜热较大，这对于提高进气密度有一定的帮助，因此使用E20含水乙醇汽油对整机的动力性影响不大［4］。使用MTBE混合汽油，且转速低于 2 000 r·min-1时，发动机转矩和使用 92 号汽油时转矩相差不大；而在发动机转速达到2 000 r·min-1以上时，转矩要稍低于使用 92 号汽油时的动力输出。这主要是因为MTBE属于醚类，其低热值要稍低于汽油。和汽油混合后，混合燃料的低热值下降，所以和燃用相同体积的汽油相比，使用MTBE混合汽油时所产生的能量以及发动机功率都会出现下降［5］。

图2 外特性转矩对比Fig.2 Comparison of external characteristic torque

3.2 经济性

图3、4为使用三种油品的外特性及4 000、5 200 r·min-1负荷特性下的燃油消耗率对比。由图中可知，使用E20含水乙醇汽油时燃油消耗率相比于使用92号汽油时的略有上升，而使用MTBE混合汽油时燃油消耗率则低于使用92号汽油时的燃油消耗率。原因是：①E20含水乙醇汽油的燃油消耗率高于其他两种油品，这是由于乙醇的汽化潜热远高于其他两种油品，因此乙醇汽油的使用会造成缸内温度降低及汽缸壁激冷效应等因素，对汽油机做功行程造成了一定的不利影响［6］。MTBE的汽化潜热和汽油相差不大，因此其混合汽油在低负荷区域的燃油消耗率基本和汽油的相等。从图3中可以看出，在转速低于3 000 r·min-1时，其 燃油消耗率曲线基本和92号汽油的重合，而随着发动机转速的升高，燃烧室壁面温度也在提高；同时，MTBE混合燃料也是自含氧的，这对于燃烧条件有明显的改善，在转速高于 3 000 r·min-1时，使用 MTBE混合汽油能使燃料消耗下降7%左右［6-8］。②在整个试验工况下，使用E20含水乙醇燃料时的燃油消耗率普遍高于使用92号汽油时的燃油消耗率。这是因为乙醇和汽油的低热值分别为27.2、44.52 MJ·kg-1，混合后其混合燃料的低热值下降，因此燃油消耗率会上升；另外，从汽油机电喷系统考虑，因为整个试验阶段没有对汽油机做任何调整，ECU（发动机电控单元）中目标空燃比的参数是按照普通汽油设定的；乙醇和汽油混合后，其理论空燃比会比原来的小，在整个阶段，ECU会按使用普通汽油在标准工况下的参数进行控制，氧传感器检测到排气中氧的体积分数偏高时，发动机就会通过ECU的指令增加额外供油量［7-9］。而MTBE混合汽油的低热值虽然相比于92号汽油的略有降低，但其辛烷值要高于汽油，因此抗爆震性能也高于普通汽油，所以改善了汽车的燃油经济性，其燃油消耗率也明显低于其他两种油品。

图3 外特性燃油消耗率对比Fig.3 Comparison of fuel consumption rate for external characteristic test

图4 4 000、5 200 r·min-1 时燃油消耗率对比Fig.4 Comparison of fuel consumption rate at 4 000,5 200 r·min-1

3.3 排放特性

3.3.1 CO 排放特性

图5 不同负荷特性时 CO 排放特性对比Fig.5 Comparison of CO emission under different loads

图5为2 000、3 000 r·min-1下各油品的CO排放特性。由图中可知，发动机使用E20含水乙醇汽油时，CO排放特性在发动机整个负荷范围内最低，CO排放有一定改善；而MTBE混合汽油时，大多数工况下CO排放明显低于燃用92号汽油时的排放。原因是：①汽油机运行在中、小负荷工况时，它会根据排气管上氧传感器的反馈信号将过量空气系数基本控制在1.0～1.05。因为醇类和醚类的过量空气系数低于普通汽油，电控系统会自动将空气进气量降低，以维持过量空气系数使三效催化器正常工作，基本上保证燃料充分燃烧［6-9］。同时，由于乙醇和MTBE本身含氧，燃烧时生成大量羟基，原子氧要比分子氧更有助于充分燃烧，这是CO排放特性改善的一个原因。②在高负荷时，过量空气系数小于1，乙醇汽油混合燃料中的乙醇和MTBE汽油混合燃料中的MTBE充分发挥含氧优势，使CO排放降低［7-9］。③乙醇和MTBE化学结构中羟基的燃烧反应特征与普通汽油中的烃类有一定差异，在燃烧过程中会使着火温度降低且不易熄火，这是CO排放获得改善的另一个重要原因［8-11］。

3.3.2 HC 排放特性

图6为两种转速下各油品的HC排放特性。由图中可知，在整个负荷工况中，使用E20含水乙醇汽油和MTBE混合汽油时HC排放比使用普通汽油时有显著改善。使用E20含水乙醇汽油可降低HC排放9%左右，使用MTBE混合汽油时HC排放降低达23%左右。分析主要原因是：发动机在中、小负荷时，ECU的控制策略使过量空气系数稳定在1.0～1.05，基本可以实现完全燃烧。而进入高负荷区域后，气缸内的混合气会变浓，同时混合燃料中氧的体积分数较高，因此对充分燃烧也有帮助［8-11］。

图6 不同负荷特性时 HC 排放特性对比Fig.6 Comparison of HC emission under different loads

3.3.3 NOx 排放特性

NOx的生成原因与CO和HC有很大差别，它是空气在气缸内的高温条件下，由氧和氮的反应所形成，高温富氧以及高温持续时间是生成NOx的重要条件。图7为两种转速下各油品的NOx排放特性。从图中可看出，在发动机低负荷时，使用E20含水乙醇汽油对NOx排放有所改善。随着发动机负荷的增加，由于空燃比变小，排放效果改善不显著。原因是在低负荷时，由于空燃比基本一定，醇类燃料的低热值低，汽化潜热大，有使进气温度和燃烧温度下降的趋势，NOx排放降低。乙醇中氧的质量分数高，有利于完全燃烧，且由于瞬时燃烧温度过高促进了NOx的生成；当发动机负荷增大时，混合气体积分数变高，缸内燃烧温度上升，在这两方面的共同作用下，造成了NOx的排放效果改善不明显［10-11］。而使用MTBE混合汽油，在低转速低负荷条件下，对于改善NOx的排放有一定效果，但随着转速和负荷的上升，NOx的排放改善效果反而变差，甚至排放超过92号汽油，前期排放改善的主要原因和E20含水乙醇汽油的一样，后期在高转速高负荷时，由于MTBE混合汽油的汽化潜热较低，和汽油的相差不大，因此燃烧温度会持续上升，在高温富氧的环境中导致了NOx的排放恶化。

图7 不同负荷特性时 NOx 排放特性对比Fig.7 Comparison of NOx emission under different loads

4 结 论

（1）在未对发动机机作任何调整的情况下，使用E20含水乙醇汽油对发动机的动力性影响不大，下降幅度在2.4%以内；使用MTBE（体积分数为10%）混合汽油时发动机动力性也低于使用92号汽油时的，其下降幅度约为2%。

（2）使用E20含水乙醇汽油时燃油消耗率略有上升，而使用MTBE混合汽油时燃油消耗率则明显比汽油的低，使用MTBE混合汽油能使燃料消耗下降7%左右。

（3）发动机使用E20含水乙醇汽油与MTBE混合汽油时，CO的排放在整个负荷范围内基本低于使用92号汽油时的；在整个负荷工况中，使用E20含水乙醇汽油与MTBE混合汽油时，HC的排放相对使用普通汽油时有显著改善；使用E20含水乙醇汽油后在发动机低负荷时NOx排放有所改善，随着负荷增加，NOx的排放效果改善不明显；在低转速低负荷时使用MTBE混合汽油对NOx排放有一定改善，但随着转速和负荷的升高，NOx排放效果反而变差。