甲醇汽油在汽油机上的应用研究*

段敏伟 谭树波 杨维成 宋家龙 乔拟春 罗 勇

(上海化工研究院醇醚燃料研究室 上海 200062)

引言

甲醇汽油作为一种性能优良的车用替代燃料，具有含氧量高、辛烷值高、抗爆性好、着火界限宽和燃烧清洁等特点［1～4］，可显著提高发动机的热效率和动力性［5］，具有广阔的应用前景。据中国石化联合会醇醚燃料及清洁汽车专业委员会不完全统计，2012年我国醇醚燃料共计消耗甲醇约1008万吨，占同期甲醇表观消费量的27．8%。醇醚燃料已成为甲醇下游第一消费领域，并呈快速增长趋势，这对减少我国石油进口、平抑石油产品价格发挥着重要作用［6］。因此开展甲醇汽油在发动机上的应用研究，对解决目前能源紧缺的问题有着重大意义［7，8］。

虽然甲醇的燃烧性能与普通汽油相近，但甲醇的氧含量、辛烷值、热值、蒸汽压、蒸发潜热和汽油存在明显差异。本文着重研究标号M0、M15、M25、M35甲醇汽油相对于92#汽油给发动机稳定性、经济性、动力性、排放性带来的变化，以进一步证实甲醇汽油的可行性，将有利于推广和规范甲醇燃料的实际应用。

1 实验部分

1．1 实验设备

实验采用绵阳新晨JW491Q－ME型汽油机，压缩比为8．8，最大功率为76kW(4200 ～4600 r/min)，最大扭矩为193 N·m(2000～2600 r/min)。其它主要测试设备见表1。

表1 主要测试设备

1．2 实验样品

92#汽油购自中石油上海大庆加油站，甲醇(工业级)购自上海焦化厂，甲醇汽油添加剂由本研究室研发配制，含腐蚀抑制剂和抗溶胀剂。本文采用固定添加剂质量比为3%，以甲醇的质量分数作为标号，分别配制了M0、M15、M25和M35四种标号的甲醇汽油，如M15由82%的92#汽油、15%的甲醇，3%的添加剂配制;而M0由97%的92#汽油和3%的添加剂配制，作为参比样。不同标号燃油的主要理化指标见表2。

表2 不同标号燃油主要理化指标对比

1．3 经济性分析

实验过程中，原机结构和供油参数未做任何改动，即发动机的供油压力、喷油嘴的启喷压力、供油提前角等参数均为原机数值。分别燃用92#汽油及上述四种不同标号的甲醇汽油进行2000 r/min负荷特性实验，扭矩(Ttq)从20～120 N·m逐次增大，每增加10 N·m为一个实验点，获取每个实验点的特征数据，含稳定工况下催化前尾气中CO、HC和NOx(含催化后)的排放数据，每个实验点重复测定3次。测试完毕后在短时间内不同日期再次测试一遍，采用相对标准偏差(RSD)考察短时间内不同日期实验的稳定性。通过平均油耗量(B)、平均修正燃油消耗率(Be)等指标考察燃油的经济性能。

1．4 动力性分析

与经济性评价实验相同，不改变发动机结构参数，分别燃用92#汽油和上述四种不同标号的甲醇汽油进行20%油门速度特性实验。工况转速(n)从4000至2200r/min逐次调整，每次降低300r/min为一个实验点，实验方法同上述1．3，也采用RSD考察短时间内不同日期实验的稳定性。通过平均修正输出功率(Pe)、Ttq等指标评价燃油的动力性能。

1．5 双怠速下排放分析

参照国家标准GB 18285－2005《点燃式发动机汽车排气污染物排放限值及测量方法》，采用双怠速法(低怠速795r/min，高怠速2500r/min)分别监测92#汽油和不同标号甲醇汽油尾气中HC、CO和NOx催化前排放含量，每个工况至少测试两次，并考察实验数据稳定性。

2 实验结果与讨论

2．1 经济性对比

同标号燃油在相同Ttq下，多次重复实验条件下各特征指标的RSD均小于2．5%，说明实验重复性好，可满足实验稳定性要求。不同燃油在2000 r/min负荷特性下燃油油耗量B及燃油油耗率Be对比情况见图1。由图1可看出，各标号甲醇汽油的B值相差幅度不大，难以辨别优劣。经统计，甲醇汽油较92#汽油的B值增幅在5%内，说明甲醇促使燃油油耗小幅升高，但考虑到甲醇市场价格仅为汽油的1/4～1/3［9］，甲醇汽油经济性会优于92#汽油。

此外，从表2可知，虽然M0的热值较92#汽油低0．93%，但在相同Ttq下，M0相对92#汽油的油耗增加率介于－4．23～0．04%(负号表示省油)之间，说明加入的添加剂可提高燃油的燃烧效率，降低燃油油耗。为考察甲醇含量对燃油油耗的影响，增强实验可比性，应以M0为基准，可排除添加剂干扰。在相同Ttq下，油耗高低为M15＞M35＞M25＞M0标号M15、M25和M35相对于M0的油耗增加率介于2．62～6．32%、0．08～2．67%和1．36～4．14%之间。而且从甲醇汽油的油耗高低排序可知，燃油油耗量与甲醇含量不成正相关关系，M25表现出最佳的燃烧性能。

图1 2000 r/min负荷特性下燃料油耗对比

2．2 动力性对比

经统计，同种燃油在相同工况下各特征数据的RSD均分布在8%内，基本满足实验稳定性要求。92#汽油及不同标号甲醇汽油Pe及Ttq对比见图2。

图2 20%油门开度条件下燃油动力性对比

由图2还可看出标号为M15、M25、M35的Pe与Ttq均高于92#汽油、M0甲醇汽油。标号为 M15、M25、M35相对于M0的 Pe增加率依次介于4．16～18．09%、4．45 ～13．72%、5．63 ～24．30% 之间，且 Ttq与Pe变化基本一致。较高的Pe增加率和Ttq增加率可说明甲醇汽油表现出更强劲的动力性，其主要原因是甲醇富氧，可使燃料燃烧更加充分，提高燃烧效率，从而增强了燃油的动力性能。

2．3 排放性分析－Ⅰ

汽油机的常规排放物主要是指 CO、HC和NOx，其中NOx包括 NO，N2O和 NO2，主要是 NO 和 NO2。在2000 r/min负荷特性和20% 油门速度特性实验中，稳定工况下的不同燃油HC、CO、NOx排放分别见图3和图4。

图3 2000 r/min负荷工况燃油排放对比

图4 20%油门开度条件下燃油排放对比

由图3、4可看出，燃用92#汽油及不同标号甲醇汽油尾气中HC、CO、NOx的排放量与Ttq、n的变化规律基本一致。随着甲醇含量的增大，燃油尾气中HC、CO排放量大幅降低。尤其M35甲醇汽油的尾气中HC、CO可保持在低水平排放，其HC排放量(10－6)低于100，最低约20，CO排放量基本在1%内，在低负荷时甚至接近零排放。在20%油门速度特性下，M35尾气中HC排放量(10－6)均低于100，较92#的降低约50%。标号M15、M25、M35的CO排放含量较92#汽油都大幅降低，降幅分别为 14．3%、57．1%、78．6%。综合两种特性，都说明甲醇降低HC、CO的效果显著，其主要原因与HC、CO的生成机理及甲醇的物性、含氧特性有关。由于甲醇的沸点低，混合气可混合得更加均匀，且燃烧具有自供氧效应，燃烧状况得到改善，有利于减少CO生成;同时因甲醇又是低碳燃料，含碳量较汽油低，有利于减少HC生成［10］。

相反地，从图3、4还可看出，随着甲醇含量的增大，燃油的NOx排放明显升高，在Ttq=70N·m时达到最高水平，92#汽油、M0、M15、M25 和 M35 的 NOx排放量(10－6)最高约为 400、700、1000、2000 和 2500，之后排放稳定。另在速度特性下，92#汽油、M0、M15、M25和M35的NOx排放量(10－6)最高约为400、500、600、1200和1800。综上所述，可说明高温富氧促进了NOx的迅速生成。由于NOx是环保严格监控指标，降低其排放主要靠废气再循环技术(EGR)和三元催化还原，各标号燃油在2000 r/min负荷特性工况下，经三元催化器后的NOx排放情况见图5。

图5 2000 r/min负荷特性下催化后NOx排放对比

从图5可以看出，各标号的燃油经三元催化器后的NOx排放随排气温度先下降后升高，较同工况下催化前有大幅降低。在400～550℃，NOx排放较低，接近零排放，此时NOx的转化率可达到90%以上，最高达99．02%。因此说明采用三元催化器可显著降低NOx排放，甲醇汽油的NOx排放可控，但尾气排放温度超过600℃以上易导致催化剂失活，影响催化转化效率。

2．3 排放性分析－Ⅱ

双怠速工况下，燃用92#汽油和不同标号的甲醇汽油尾气中HC、NOx、CO催化前排放含量比较见表3。

表3 双怠速下不同燃油尾气污染物测试数据

从表3可看出，对于同标号燃油，高怠速较低怠速工况的CO、NOx排放上升，HC排放下降。

对于不同标号的甲醇汽油，随着甲醇含量的增大，HC、CO排放大幅降低，其中M35在高怠速和低怠速的HC排放量(10－6)仅为77和5，CO排放量(%)仅为0．16和0．6，降幅明显。另外，相比于特性实验，在怠速工况下，甲醇汽油的NOx排放量并未大幅增加，含量相差不大。在低怠速工况下，M15、M25、M35所排放的NOx较M0的都低，呈降低趋势。因此可说明在双怠速下，由于发动机在未加载负荷，甲醇对促进NOx的生成作用有限，NOx的生成量很大程度上取决于燃烧温度。

3 结论

通过本实验研究，可获得以下结论:

1)在发动机未作任何改动或优化调整时，甲醇汽油具有良好的适应性，发动机运行平稳，实验稳定性好。

2)输出功率恒定时，燃油油耗量(B)高低依次为M15＞M35＞M25＞M0，M25燃烧性能最佳。虽然甲醇会使燃油油耗小幅升高，B值增幅在5%内，但综合甲醇价格优势，甲醇汽油经济性优于92#汽油。

3)较高的Pe增加率和Ttq增加率都说明甲醇汽油动力性能强劲。

4)随着甲醇含量的增大，燃油的HC、CO排放量大幅降低，M35接近零排放，甲醇可有效降低HC、CO排放。而NOx的生成量很大程度上取决于燃烧温度，在怠速条件下，甲醇汽油的NOx排放与92#的相当，而高负荷时，甲醇汽油的NOx排放明显高于92#，但经三效催化后，NOx排放降幅可高达99．02%，甲醇汽油的NOx排放可控。

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