车用M15甲醇汽油燃料的动力性和排放特性试验研究

商红岩，陈照军，杨朝合，刘晨光，安高军，洪正鹏，韩 瑜

(1.中国石油大学重质油国家重点实验室，山东青岛 266580;2.中国石油大学CNPC催化重点实验室，山东青岛 266580;3.解放军总后勤部油料研究所，北京 102300;4.北京东方红升新能源应用技术研究院，北京 100723)

汽油、柴油等燃油燃烧所排放出的碳固体微粒黑烟、碳氢化合物、CO、NOx、SOx等已成为大中城市的主要污染物来源［1］。中国煤制甲醇、天然气制甲醇、焦炉气制甲醇等技术成熟［2］，但消费量的增长速度远未跟上甲醇产能和进口量的增长速度，中国甲醇产能一直处于过剩状态，甲醇作为汽车替代燃料，技术路线包括化学转换甲醇制汽油［3］(MTG)和物理调和甲醇汽油混合燃料。将甲醇按一定比例添加到汽油中并辅助于助溶剂和功能性添加剂调和成为甲醇汽油［4］，低比例M15甲醇汽油燃料中，以国标汽油组分为主，甲醇在汽油中的体积分数只有15%，汽车使用低比例掺烧甲醇汽油时不需要对发动机做改动，可单独使用，也可与成品汽油、乙醇汽油混合使用或互换使用。由于甲醇汽油燃料本身含氧、辛烷值高，在汽车发动机中燃烧更加完全。笔者通过总功率试验、稳定工况负荷性试验、道路试验和尾气排放检测试验，系统研究低比例的M15甲醇汽油的动力性、燃油经济性和外排放特性。

1 试验

1.1 试剂

试验试剂有:国标93#汽油(市售);甲醇(AR，西陇化工股份有限公司);失水山梨糖醇单脂肪酸酯(AR，国药集团化学试剂有限公司);丙二醇二丁醚(AR，国药集团化学试剂有限公司);碳酸二甲酯(AR，国药集团化学试剂有限公司);清净分散剂(自制);铜片腐蚀抑制剂(自制);橡胶溶胀抑制剂(自制);动力促进剂(自制)。

1.2 M15甲醇汽油的制备

在国标93#汽油中加入15%的优等级工业甲醇、0.5%的相稳定剂失水山梨糖醇单脂肪酸酯、2%的助溶剂丙二醇二丁醚和碳酸二甲酯、0.5%功能性添加剂(清净分散剂+铜片腐蚀抑制剂+橡胶溶胀抑制剂+动力促进剂)，在调和罐中混合均匀得到M15甲醇汽油。

1.3 汽车的动力和排放特性试验

汽车的常规排放和甲醛非常规排放试验是在北京理工大学动力性与排放性测试国家专业试验室进行的。试验车辆是捷达舒适型FV7160CIF E3。

采用GB 18285-2000在用汽车排气污染物限值及测试方法和GB18352.3-2005轻型汽车污染物排放限值及测量方法(中国Ⅲ、Ⅳ阶段)。

测试仪器包括:底盘测功机PECD9400;排放分析仪MEXA7200H;定容采样系统CVS7400T;高效液相色谱仪 HPLC1200;采样泵AirChek2000;皂膜流量计Ultra Flow Calibrator709和DNPH Silica吸附管WAT037500。

采用DNPH管吸附排气中的甲醛，用固相萃取装置进行洗脱，洗脱液用高效液相色谱进行定性和定量分析甲醛等非常规排放物。

汽车的总功率、稳定工况全负荷特性和加速性能试验分别采用GB1105.2-87内燃机台架性能试验方法试验方法、GB/T12534-1990汽车道路试验方法通则和GB/T12543-2009汽车加速性能试验方法。

试验车型有:金杯 SY6480AC-ME、起亚YQZ6490和帕萨特SVW7183LJ1。

2 试验结果分析

2.1 动力性和燃油经济性

工业甲醇和国标汽油在物性、燃烧特性、蒸发特性、辛烷值、热值、空燃比自然温度、饱和蒸汽压等方面有许多相似之处，也存在物性差异。汽油是由C6～C12烃类组成的混合物，具有较高的辛烷值和优良的抗爆性，用于高压缩比的点燃式汽油发动机上，具有良好的蒸发性和燃烧性，能保证发动机运转平稳。

甲醇是由C、H、O组成的有机化合物，含氧量50%。甲醇的低热值19.9 kJ/kg，约为汽油的45%;纯甲醇的理论空燃比6.45，而汽油空燃比14.2～15.1，完全燃烧时所需的空气比汽油少得多，可使汽油燃烧更加充分，提高汽油的热效率，从而弥补甲醇热值低所造成的部分损失;甲醇的蒸发潜热1.088 kJ/kg，而汽油蒸发潜热只有 0.31 ～ 0.34 kJ/kg［5］;甲醇的RON辛烷值约115，汽油的辛烷值约为90～97，所以甲醇和汽油按一定比例调和成为甲醇汽油作为点燃式发动机的液体燃料，需要甲醇在汽油中有一个合适量的范围。

1 kg燃料完全燃烧理论上所需要的空气量可按下式［6］计算:

式中，gC、gH、gO分别为燃料中碳、氢、氧的质量分数。

甲醇汽油的低热值按下式计算:

式中，M甲醇、M汽油分别为甲醇汽油燃料中汽油和甲醇的质量分数。

式中，a为过量空气系数;mT为燃料的相对分子质量。

通过上式可以估算出不同掺烧比例甲醇汽油燃料的理论空气量、燃烧低热值及化学计量混合气低热值，甲醇理论空气量Lo为每千克燃料所需空气质量，结果见图1。从图1看出，M5～M20甲醇汽油与普通汽油的特性相近，综合考虑能源替代、燃油经济性、安全性、可靠性，选用M15甲醇汽油做动力性、燃油经济性、排放特性研究。

图1 甲醇汽油燃料的性质参数随掺烧比例的变化曲线Fig.1 Variation curves for parameters of methanol gasoline fuel with mixing proportion

汽车燃用M15甲醇汽油和93#号国标汽油的总功率试验、稳定工况全负荷特性试验和加速性能试验结果见表1、2。

由表1看出，M15甲醇汽油的最大有效功率与93#普通汽油相当，总功率仅仅降低了0.98%。稳定工况全负荷特性试验结果表明，在发动机转速2000～3200 r/min范围内，M15甲醇汽油的最低燃油消耗率与普通国标93#汽油相当。在发动机转速2000～2400 r/min范围内燃用甲醇汽油比燃用93#汽油节油0.344% ～0.575%;在发动机转速2600～3200 r/min范围内燃用93#汽油比燃用甲醇汽油多耗油0.094% ～0.112%。由表2看出，帕萨特、金杯汽车燃用M15甲醇汽油时的加速性能与燃用普通93#汽油相当，在误差范围之内。可见，汽车燃用M15甲醇汽油具有良好的动力性和燃油经济性，M15甲醇汽油与国标汽油的替代比在(1.0～1.01)∶1.0。

汽车燃用M15甲醇汽油和93#国标汽油的道路试验结果见表3。由表3看出，M15甲醇汽油的油耗略高于普通93#汽油，M15甲醇汽油与国标汽油的替代比约为1.02∶1.0。

表1 帕萨特稳定工况全负荷特性试验结果Table 1 Full load characteristic test results in stable working condition for Passat

表2 加速性能试验结果Table 2 Acceleration performance test results

这说明两方面的问题:①在国标93#汽油中混入15%的甲醇，由于甲醇的热值是汽油组分的45%，所以损失了6.75%的热值;②甲醇氧含量50%，甲醇汽油混合燃料的自供氧能力提高了热效率，使燃料燃烧更充分，并且甲醇的辛烷值高达110，M15甲醇汽油与普通93#汽油相比提高了辛烷值，从而提高了燃烧效率。燃烧效率的提高可以弥补98%热值的损失，换句话讲，M15甲醇汽油的热效率比普通汽油提高了6.615%的热效率。所以，M15甲醇汽油的动力性、加速性能、总功率与普通汽油相当。

表3 道路试验结果Table 3 Road test results

2.2 排放特性

2.2.1 常规排放特性对比

汽车燃用M15甲醇汽油和国标93#汽油尾气中未燃尽碳氢化合物含量及其对比见表4。可以看出，与国标93#汽油相比，燃用M15甲醇汽油汽车尾气中未燃尽碳氢化合物的排放量降低了12%～61%，这是因为甲醇含氧量高，使得燃料在整个燃烧过程中燃烧充分，减少了碳氢化合物的生成量。

汽车燃用M15甲醇汽油和国标93#汽油尾气中碳氧化合物含量及其对比见表4。碳氧化合物的排放量降低了18% ～75%。当供氧不足、有部分燃料不能完全燃烧的情况下会有大量碳氧化合物释放。由于甲醇汽油的自含氧效应，使得发动机在补偿了甲醇汽油汽化潜热的前提下会形成均匀的混合气，从而生成较少的碳氧化合物。

汽车燃用M15甲醇汽油和国标93#汽油尾气中NOx化合物含量及其对比见表4。NOx的排放量总体来看增加1.0% ～12%。这是因为影响NOx生成主要有两个方面的因素:①氧含量。氧含量低会抑制NOx的生成，相反氧含量高则促进NOx的生成，甲醇因其高富氧而促进NOx的生成;②滞留时间。因为NO化合物的生成速度低于燃烧反应，所以如果停留时间长，则利于NOx的生成。甲醇虽然在燃烧初期能够促进反应，但是由于其热值低，燃烧逐渐趋于缓慢，所以造成停留时间延长，从而促进NOx的生成。但是车型不同、发动机不同，结果也差别很大。比如帕萨特燃用M15甲醇汽油时尾气中NOx的排放量比用93#国标汽油时尾气中NOx的排放量减少约34.1%。

表4 汽车尾气排放物含量对比Table 4 Comparison of vehicle emissions

2.2.2 非常规排放物

甲醇燃料汽车的常规排放优于汽油车，没有致癌物苯的排放，但是发动机尾气中的未燃甲醇和甲醛浓度较高，并且随着燃料中甲醇比例的增加而增加。从环保考虑，甲醇燃料汽车尾气中未燃甲醇和甲醛等非常规排放对环境及人类健康的潜在危害不容忽视［7-8］。为此，在北京理工大学动力性与排放性测试国家专业试验室进行了汽车尾气非常规排放试验，试验车辆是捷达舒适型FV7160CIF E3，车况良好，行驶里程18000 km。尾气中非常规排放物的对比结果见表5。可以看出，汽车燃用93#汽油非常规排放物中也有甲醛，但是没有乙醛、丙醛、丙烯醛和丙酮;汽车燃用M15甲醇汽油尾气非常规排放物中既有甲醛，也有乙醛、丙醛、丙烯醛和丙酮。燃用M15甲醇汽油的尾气中甲醛排放量略低于燃用普通93#汽油，并且非常规排放物总量也略低于燃用普通93#汽油，这与其他研究机构的结论不一致［9］，可能是由试验车型、车况、M15甲醇汽油添加剂技术不同造成的。

和甲醇相比，汽油由几百种不同的烃类物质组成，其中有一些如苯是强致癌物，尾气排放中的丁二烯、甲醛、乙醛、苯、HC、NOx都是有毒物质。尾气中含有烷烃、烯烃、芳烃及含氧有机化合物，用气相色谱法可以识别的有200多种。其中，苯、1，3－丁二烯、甲醛、乙醛和环状有机化合物为毒性有机化合物。应该指出，这些毒性有机化合物不仅来源于烯烃，汽油中的其他组分亦有贡献，甚至烷烃氧化后也会生成毒性有机化合物。甲醇在水中降解比柴油和汽油更快，甲醇泄露到地上土壤中时，微生物会使醇的浓度迅速降低，比汽油和柴油造成的污染小、时间短。

甲醇燃料对环境更为有益，低比例甲醇汽油是清洁的替代能源。能够代替石油的产品必须产量大、成规模，原料来源充分且获取方便。甲醇汽油是一种廉价而清洁的车用燃料，由甲醇改性与汽油调配而成。甲醇可来源于煤、天然气、焦炉气、煤层气及煤化工企业。发展煤基醇燃料，可大幅度提高煤炭的附加值，对促进中国能源资源更深层次的开发和利用具有重要意义。

表5 汽车尾气中非常规排放物对比Table 5 Comparison of vehicle emissions of unregulated emissions 10－6

3 结论

(1)M15甲醇汽油的动力性、加速性能、总有效功率、发动机转速2000～3200 r/min内最低燃油消耗率与普通国标93#汽油相当。

(2)汽车燃用M15甲醇汽油的油耗略高于普通93#汽油，与国标汽油的替代比约为1.02∶1.0。

(3)燃用M15甲醇汽油汽车尾气中未燃尽碳氢化合物的排放量比燃用普通汽油降低了12%～61%;碳氧化合物的排放量降低了18% ～75%;起亚、金杯车NOx的排放量增加了1.0% ～12%，而帕萨特车NOx的排放量却减少34.1%。

(4)燃用M15甲醇汽油汽车尾气中除甲醛外，还有少量的乙醛、丙醛、丙烯醛和丙酮，但是甲醛的排放量甚至低于燃用普通93#汽油。

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