车用低比例甲醇汽油的使用性能研究

张新庄 张书勤 张娟利

(陕西延长石油(集团)有限责任公司研究院)

车用低比例甲醇汽油的使用性能研究

张新庄 张书勤 张娟利

(陕西延长石油(集团)有限责任公司研究院)

研究低比例甲醇汽油在4G15S汽油发动机和现代ix35小型客车上的使用性能。以M15、M25甲醇汽油作为试验样品，测试燃用时的动力性、经济性、平稳性和排放性等特征数据，并与燃用93#汽油进行对比分析。结果表明，燃用M15、M25甲醇汽油后，发动机功率增大，加速时间和加速距离减小；有效燃料消耗率和平均燃料消耗量均增加；平稳性与燃用93#汽油时相同；尾气中CO和HC排放量明显下降。研究结论证实，M15、M25甲醇汽油使用性能良好，为低比例甲醇汽油的实际应用提供了一定的参考依据。

甲醇汽油 动力性 油耗 排放特性

我国是一个油气资源贫乏而煤炭资源相对富足的国家, 在煤化工蓬勃发展的大背景下，甲醇汽油作为一种汽油替代品具有很大的市场潜力，而低比例甲醇汽油在动力性等方面与汽油相近，可以直接用于汽油发动机[1]。甲醇的辛烷值高、抗爆性好、资源丰富且成本低，其分子中含有50%的氧，燃烧更加充分，具有比汽油更低的有害排放。因此，使用甲醇汽油可有效降低汽车污染排放[2-3]。甲醇汽油作为部分替代汽油的现实能源，针对其开展相关的应用研究，分析其燃用时对发动机动力性、经济性和排放特性的影响，对指导甲醇汽油的推广应用具有重要的现实意义[4-5]。

本文以前期研制的、各项理化性能指标符合陕西省地方标准的M15、M25甲醇汽油为试验样品，以93#国标汽油作为参比样品，通过发动机台架试验和整车道路耐久试验，系统分析掺入甲醇的汽油在发动机上燃烧时的动力性、经济性、平稳性以及排放特性的变化。

1 试验样品与设备

1.1试验样品

试验样品选用前期研制的M15和M25甲醇汽油，其经陕西省能源质量监督检验所检验，分别符合陕西省地方标准DB 61/T 352-2004《车用M15甲醇汽油》(93号)和DB 61/T 353-2004《车用M25甲醇汽油》(93号)的技术要求。93#汽油国标与M15、M25陕西省地标的关键理化指标对比见表1。

表1 93#汽油国标与甲醇汽油地方标准的技术要求对比情况Table1 Contrastoftechnicalrequirementsbetweenthenationalstandardsof93#gasolineandlocalstandardsofmethanolgasoline序号检测项目93#汽油标准甲醇汽油陕西省地标国Ⅲ国ⅣM15M251研究法辛烷值(RON)≥939393932ρ(铅)/(g·L-1)≤0.0050.0050.0050.0053馏程10%蒸发温度/℃≤7070707050%蒸发温度/℃≤12012011011090%蒸发温度/℃≤190190185185终馏点/℃≤205205205205φ(残留量)/%≤22224蒸气压/kPa≤888890905实际胶质/(mg·(100mL)-1)≤55556诱导期/min≥4804804804807w(硫)/%≤0.0150.0050.070.078铜片腐蚀(50℃,3h)/级≤11119水溶性酸或碱无无无无10w(水)/%无无0.030.0511φ(苯)/%≤1.01.02.52.512φ(烯烃)/%≤3025302713φ(芳烃)/%≤4035343014低温抗相分离性能(-20℃,48h)--无相分离无相分离15遇水抗相分离性能(加水1.5%,振荡5min,静置48h)--无相分离无相分离

由表1可以看出，93#汽油国标与甲醇汽油陕西省地方标准主要在馏程、蒸气压、硫含量、水分、苯含量、烯烃含量及芳烃含量等限值上有差别。甲醇挥发性强、饱和蒸气压大，使得甲醇汽油50%和90%蒸发温度限值降低，蒸气压限值增大；甲醇自身含水，甲醇汽油有一定的吸水性，而微量水在醇油体系中可以稳定存在，使得甲醇汽油对水分含量做出限制；甲醇与汽油混合后，为保证辛烷值、稳定性及防腐、抗溶胀的要求，往往加入有机添加剂进行改性，使得硫含量、苯含量限值增大，烯烃含量和芳烃含量限值出现波动。另外，甲醇汽油标准中增加了低温稳定性和溶水稳定性的技术要求。

1.2试验设备

93#汽油、M15甲醇汽油的发动机台架试验所采用的仪器设备情况见表2。试验项目包括：①发动机外特性试验；②发动机转速为2 000 r/min、2 400 r/min、3 000 r/min、3 400 r/min时的负荷特性试验；③怠速、高怠速排放污染物试验。

表2 油品发动机台架试验相关设备情况Table2 Relatedequipmentofbenchtestforgasolineengine名称规格型号生产单位计量鉴定单位发动机4G15S日本三菱公司测功机CW100洛阳南峰机械厂陕西省计量研究所油耗计FCM上海内燃机研究所陕西省计量研究所通风干湿温度计DHM2天津气相仪器厂陕西省计量研究所动槽水银气压计DYM1长春气相仪器厂陕西省计量研究所废气分析仪AVL4000LAVL公司陕西省计量研究所

93#汽油、M15和M25甲醇汽油的整车道路耐久试验使用现代ix35小型普通客车，所采用的仪器设备情况见表3。试验项目包括：①经济性能试验(直接档等速、直接档加速、六工况及限定条件下的燃料消耗量比对试验)；②动力性能试验(50 km/h初速度滑行、直接档最低稳定车速、直接档全油门加速及起步换挡加速比对试验)。

表3 油品整车道路耐久试验相关设备情况Table3 Relatedequipmentofvehicleroadendurancetestforgasoline名称型号产地综合气象测试仪中国长春笔记本电脑DELLE5500美国VGPSVBOXVB2SX德国燃油流量传感器MF-2200日本燃油流量计DF-2420日本

2 试验结果与分析[6-10]

2.1动力性分析

发动机台架试验中，分别对燃用93#汽油、M15甲醇汽油时4G15S发动机的外特性功率和扭矩进行检测，结果见表4。整车道路试验中，分别对燃用93#汽油、M15和M25甲醇汽油时汽车的滑行、最低稳定车速及加速性能进行检测，结果见表5。

由表4可知，4G15S发动机燃用M15甲醇汽油与燃用93#汽油相比，在不同转速下功率和扭矩普遍增大，功率平均增幅为0.9 kW，扭矩平均增幅为3.0 N·m，说明发动机的输出增加，动力性增强。从表5可以看出，3种油品的直接档最低稳定车速：M25甲醇汽油>M15甲醇汽油>93#汽油。直接档(5档)全油门加速时，燃用M15甲醇汽油比燃用93#汽油加速时间减少2.59 s，加速距离减少44.26 m；燃用M25甲醇汽油时，加速时间减少2.32 s，加速距离减少41.97 m。起步换挡加速时，燃用M15甲醇汽油比燃用93#汽油加速时间减少1.21 s，加速距离减少25.55 m；燃用M25甲醇汽油时，加速时间减少0.25 s，加速距离减少7.15 m。可见，M15和 M25甲醇汽油的动力性均强于93#汽油，两种甲醇汽油的直接档加速性能相差不大，但在起步换挡加速时，M15甲醇汽油的加速时间和加速距离更短，原因可能是甲醇含氧，使得甲醇汽油燃烧得更加充分，但当氧含量超过一定值后反而不利于甲醇汽油燃烧。

表4 93#汽油和M15甲醇汽油发动机台架试验(动力性)检测结果Table4 Enginebenchtest(dynamicperformance)resultsof93#gasolineandM15methanolgasoline转速n/(r·min-1)功率Pe/kW扭矩Me/(N·m)93#汽油M15变化量93#汽油M15变化量420052.253.3+1.1118.6121.2+2.6380049.650.1+0.5124.6125.8+1.2340045.847.1+1.3128.5132.2+3.7300038.840.8+2.0123.5130.0+6.5260030.031.4+1.4110.2115.3+5.1220024.525.1+0.6106.4108.8+2.4200023.123.5+0.4110.5112.2+1.7180020.720.9+0.2110.0110.9+0.9

表5 93#汽油、M15和M25甲醇汽油整车道路试验(动力性)检测结果Table5 Vehicleroadtest(dynamicperformance)resultsof93#gasoline,M15andM25methanolgasoline检测项目93#汽油M15甲醇汽油M25甲醇汽油时间/s距离/m速度/(km·h-1)时间/s距离/m速度/(km·h-1)时间/s距离/m速度/(km·h-1)50km/h初速度滑行126.00754.3321.56直接档最低稳定车速26.4127.6528.44直接档(5档)加速32.42587.0229.83542.7630.10545.05起步换挡加速26.78600.0225.57574.4726.53592.87

2.2经济性分析

发动机台架试验中分别对燃用93#汽油和M15甲醇汽油时4G15S发动机的外特性油耗数据进行检测，结果见表6。整车道路试验中分别对燃用93#汽油、M15和M25甲醇汽油时汽车的燃料消耗量进行检测，结果见表7。

由表6可以看出，在不同转速下，4G15S发动机燃用M15甲醇汽油后油耗普遍上升，油耗ge平均上升7.88%，油耗Gt平均上升10.73%。由表7可以看出，在各种测试工况下，现代ix35汽车燃用M15和M25甲醇汽油的消耗量均大于燃用93#汽油，其中M25甲醇汽油的消耗量更大(M15平均节油率为-8.92%，M25平均节油率为-13.43%)，对93#汽油的替代率也更大(M15平均替代率为10.69%，M25平均替代率为24.00%)。同一牌号的甲醇汽油，节油率越低，则替代率越低。

分析其原因，主要是甲醇的热值较低(低位热值19.7 MJ/kg)，只有汽油(低位热值42.5 MJ/kg)的约1/2，因此同等出力下消耗量更多，导致甲醇汽油的油耗大于93#汽油。而M25的甲醇含量大于M15，所以在同等情况下M25甲醇汽油消耗得更多。油耗上升是燃用甲醇汽油不可避免的问题，但考虑到甲醇价格大幅度低于成品汽油、甲醇汽油改性添加剂用量少以及燃油替代率等方面的综合因素，显然油耗增加的程度处于可接受的范围内，其对甲醇汽油的实际应用影响不大。

表6 93#汽油和M15甲醇汽油发动机台架试验(经济性)检测结果Table6 Enginebenchtest(economicperformance)resultsof93#gasolineandM15methanolgasoline转速n/(r·min-1)油耗ge/(g·(kW·h)-1)油耗Gt/(kg·h-1)93#汽油M15变化量93#汽油M15变化量4200280.7292.3+11.614.615.6+1.03800280.9281.5+0.613.914.1+0.23400258.7284.3+25.611.813.4+1.63000248.3289.6+41.39.611.8+2.22600259.4274.3+14.97.88.6+0.82200252.7279.9+27.26.27.0+0.82000246.2274.1+27.95.76.4+0.71800257.7268.8+11.15.35.6+0.3

表7 93#汽油、M15和M25甲醇汽油整车道路试验(经济性)检测结果Table7 Vehicleroadtest(economicperformance)resultsof93#gasoline,M15andM25methanolgasoline检测项目93#汽油消耗量/(L·(100km)-1)M15甲醇汽油M25甲醇汽油消耗量/(L·(100km)-1)节油率/%替代率/%消耗量/(L·(100km)-1)节油率/%替代率/%等速行驶6.597.09-7.5911.787.35-11.5425.27加速行驶17.2319.03-10.459.4319.53-13.3524.06六工况5.075.58-10.069.755.93-16.9621.64限定条件7.668.24-7.5711.798.57-11.8825.04 注:1.节油率(%)=(93#汽油消耗量-甲醇汽油消耗量)×100/93#汽油消耗量。2.替代率(%)=(93#汽油消耗量-甲醇汽油消耗量×甲醇汽油中的汽油比例)×100/93#汽油消耗量。

调制甲醇汽油的经济效益主要取决于产品所执行的标准，标准要求越高，调制成本就越高，所产生的经济效益就越低。以M15和M25甲醇汽油为例，其在满足不同标准技术要求下的经济效益预估结果见表8。

表8 符合不同标准要求的M15、M25甲醇汽油经济效益预估结果Table8 EconomicbenefitforecastresultsofM15andM25methanolgasolineaccordingwithdifferentstandards国内甲醇汽油标准调制成本/(元·t-1)与93#汽油销售差价/(元·L-1)净利润/(元·t-1)DB61/T352-20048321.5-0.13267.5M15CAS47-20077913.5-0.3442.5D14/T92-20087771-0.5311.0M25DB61/T353-20047538.5-0.5530.8 注:1.M15、M25甲醇汽油密度分别按0.73g/cm3和0.74g/cm3计算。2.甲醇汽油售价为2012-08-03报价,国标93#汽油和甲醇售价分别按8800元/t和2750元/t计算。

由表8可知，若93#汽油价格不变，则当甲醇价格分别超过3 017.5元/t、3 192.5元/t和3 061元/t时，生产分别符合DB 61/T 352-2004、CAS 47-2007和D 14/T 92-2008三种标准的M15甲醇汽油将没有利润；而当甲醇价格超过3 280.8元/t时，生产符合DB61/T 353-2004标准的M25甲醇汽油将不具有竞争性。在低比例范围内，生产甲醇含量越高的甲醇汽油，则经济效益越好。

2.3平稳性分析

甲醇挥发性强，甲醇汽油在使用时，容易在汽车油路中气化(尤其是夏季气温较高时)，从而使供油不连续，导致气阻现象发生，影响汽车发动机运转、威胁驾驶人员安全。

前期通过对低比例甲醇汽油馏程和蒸气压特性进行研究，认为甲醇汽油中低沸点组分含量增加以及甲醇与汽油中的某些烃类形成共沸物是导致其挥发性增强的主要原因。针对此问题，优选了适合的添加剂以改善甲醇汽油挥发性。所选择的添加剂可以降低甲醇汽油饱和蒸气压约10个单位，同时校正甲醇汽油的馏程曲线，从而能够有效减少甲醇汽油在使用过程中发生气阻的可能性，同时减少油品的蒸发损失。在现场测试过程中，没有出现发动机油路气阻现象，车辆运行平稳。

2.4排放特性分析

发动机台架试验中分别对燃用93#汽油和M15甲醇汽油时，4G15S发动机在怠速和高怠速下的污染物情况进行检测，结果见表9。

表9 93#汽油和M15甲醇汽油发动机台架试验(排放特性)检测结果Table9 Enginebenchtest(emissioncharacteristics)resultsof93#gasolineandM15methanolgasoline发动机状态检测样品污染物排放浓度φ(CO)/%φ(HC)/10-6怠速93#汽油M15甲醇汽油0.450.3912397高怠速93#汽油M15甲醇汽油0.590.51185122

由表9可以看出，发动机燃用M15甲醇汽油后，其常规排放物CO和HC的浓度较燃用93#汽油时都有明显下降，说明甲醇汽油的排放特性较好，能改善日益突出的汽车尾气污染物排放问题。另外，由于苯、甲苯、二甲苯等芳烃的燃烧热值高，相同出力情况下能减少油耗，其在有些甲醇汽油配方中多次出现，但芳烃的加入会恶化甲醇汽油的排放，使燃用后的污染物排放量增加。

3 结 论

93#汽油、M15和M25甲醇汽油的发动机台架试验和整车道路试验结果表明：

(1) 研制的M15和M25甲醇汽油的动力性优于93#汽油，燃用时，发动机功率和扭矩增大，汽车的最低稳定车速增加、加速时间和加速距离减小。相对氧含量高的M25甲醇汽油的动力性稍逊于M15甲醇汽油，主要体现在起步换挡加速时的时间和距离。

(2) 研制的M15和M25甲醇汽油的经济性优于93#汽油。虽然在燃用时，由于甲醇组分的热值低，导致发动机和汽车的油耗都大于93#汽油，但考虑价格和燃油替代率等因素后，认为油耗增加的幅度不至影响二者的实际应用。

(3) 燃用M15和M25甲醇汽油时，发动机运转平稳、油路顺畅，无气阻现象发生，并且发动机尾气污染物(CO和HC)排放量较燃用93#汽油时明显减少。

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Usabilityresearchofthelowproportionalmethanolgasolineformotor

ZhangXinzhuang,ZhangShuqin,ZhangJuanli

(ResearchInstituteofShaanxiYanchangPetroleum(Group)Co.,Ltd,Xi'an710075,Shaanxi,China)

Combustion performance of the low proportional methanol gasoline used in 4G15S gasoline engine and Hyundai ix35 car was studied. Taking M15 and M25 methanol gasoline as test samples, burning characterized data about the dynamic performance, economy, stability and discharge were tested and compared with 93#gasoline. The results showed that the engine power increased, the acceleration time and acceleration distance decreased after burning M15 and M25 methanol gasoline; both effective fuel consumption rate and average fuel consumption increased; the stability is as the same as 93#gasoline; and CO and HC emissions of the tail gas decreased obviously. Research conclusions confirmed M15 and M25 methanol gasoline had good service performance, which could provide some reference basis for the practical application of the low proportion methanol gasoline.

methanol gasoline, dynamic performance, fuel consumption, emission characteristics

TE626.21

：ADOI: 10.3969/j.issn.1007-3426.2014.01.009

2013-07-25；编辑：康莉

张新庄(1985-)，男，陕西礼泉人，工程师，现就职于陕西延长石油(集团)有限责任公司研究院， 主要从事能源化工工艺方面的工作。地址:(710075)陕西省西安市高新区科技二路75号延长石油204室。E-mail：zxzunm@163.com