車用M15甲醇汽油燃料的動力性和排放特性試驗(yàn)研究

商紅巖，陳照軍，楊朝合，劉晨光，安高軍，洪正鵬，韓 瑜

(1.中國石油大學(xué)重質(zhì)油國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東青島 266580;2.中國石油大學(xué)CNPC催化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東青島 266580;3.解放軍總后勤部油料研究所，北京 102300;4.北京東方紅升新能源應(yīng)用技術(shù)研究院，北京 100723)

汽油、柴油等燃油燃燒所排放出的碳固體微粒黑煙、碳?xì)浠衔?、CO、NOx、SOx等已成為大中城市的主要污染物來源［1］。中國煤制甲醇、天然氣制甲醇、焦?fàn)t氣制甲醇等技術(shù)成熟［2］，但消費(fèi)量的增長速度遠(yuǎn)未跟上甲醇產(chǎn)能和進(jìn)口量的增長速度，中國甲醇產(chǎn)能一直處于過剩狀態(tài)，甲醇作為汽車替代燃料，技術(shù)路線包括化學(xué)轉(zhuǎn)換甲醇制汽油［3］(MTG)和物理調(diào)和甲醇汽油混合燃料。將甲醇按一定比例添加到汽油中并輔助于助溶劑和功能性添加劑調(diào)和成為甲醇汽油［4］，低比例M15甲醇汽油燃料中，以國標(biāo)汽油組分為主，甲醇在汽油中的體積分?jǐn)?shù)只有15%，汽車使用低比例摻燒甲醇汽油時不需要對發(fā)動機(jī)做改動，可單獨(dú)使用，也可與成品汽油、乙醇汽油混合使用或互換使用。由于甲醇汽油燃料本身含氧、辛烷值高，在汽車發(fā)動機(jī)中燃燒更加完全。筆者通過總功率試驗(yàn)、穩(wěn)定工況負(fù)荷性試驗(yàn)、道路試驗(yàn)和尾氣排放檢測試驗(yàn)，系統(tǒng)研究低比例的M15甲醇汽油的動力性、燃油經(jīng)濟(jì)性和外排放特性。

1 試驗(yàn)

1.1 試劑

試驗(yàn)試劑有:國標(biāo)93#汽油(市售);甲醇(AR，西隴化工股份有限公司);失水山梨糖醇單脂肪酸酯(AR，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司);丙二醇二丁醚(AR，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司);碳酸二甲酯(AR，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司);清凈分散劑(自制);銅片腐蝕抑制劑(自制);橡膠溶脹抑制劑(自制);動力促進(jìn)劑(自制)。

1.2 M15甲醇汽油的制備

在國標(biāo)93#汽油中加入15%的優(yōu)等級工業(yè)甲醇、0.5%的相穩(wěn)定劑失水山梨糖醇單脂肪酸酯、2%的助溶劑丙二醇二丁醚和碳酸二甲酯、0.5%功能性添加劑(清凈分散劑+銅片腐蝕抑制劑+橡膠溶脹抑制劑+動力促進(jìn)劑)，在調(diào)和罐中混合均勻得到M15甲醇汽油。

1.3 汽車的動力和排放特性試驗(yàn)

汽車的常規(guī)排放和甲醛非常規(guī)排放試驗(yàn)是在北京理工大學(xué)動力性與排放性測試國家專業(yè)試驗(yàn)室進(jìn)行的。試驗(yàn)車輛是捷達(dá)舒適型FV7160CIF E3。

采用GB 18285-2000在用汽車排氣污染物限值及測試方法和GB18352.3-2005輕型汽車污染物排放限值及測量方法(中國Ⅲ、Ⅳ階段)。

測試儀器包括:底盤測功機(jī)PECD9400;排放分析儀MEXA7200H;定容采樣系統(tǒng)CVS7400T;高效液相色譜儀 HPLC1200;采樣泵AirChek2000;皂膜流量計Ultra Flow Calibrator709和DNPH Silica吸附管WAT037500。

采用DNPH管吸附排氣中的甲醛，用固相萃取裝置進(jìn)行洗脫，洗脫液用高效液相色譜進(jìn)行定性和定量分析甲醛等非常規(guī)排放物。

汽車的總功率、穩(wěn)定工況全負(fù)荷特性和加速性能試驗(yàn)分別采用GB1105.2-87內(nèi)燃機(jī)臺架性能試驗(yàn)方法試驗(yàn)方法、GB/T12534-1990汽車道路試驗(yàn)方法通則和GB/T12543-2009汽車加速性能試驗(yàn)方法。

試驗(yàn)車型有:金杯 SY6480AC-ME、起亞YQZ6490和帕薩特SVW7183LJ1。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 動力性和燃油經(jīng)濟(jì)性

工業(yè)甲醇和國標(biāo)汽油在物性、燃燒特性、蒸發(fā)特性、辛烷值、熱值、空燃比自然溫度、飽和蒸汽壓等方面有許多相似之處，也存在物性差異。汽油是由C6～C12烴類組成的混合物，具有較高的辛烷值和優(yōu)良的抗爆性，用于高壓縮比的點(diǎn)燃式汽油發(fā)動機(jī)上，具有良好的蒸發(fā)性和燃燒性，能保證發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)。

甲醇是由C、H、O組成的有機(jī)化合物，含氧量50%。甲醇的低熱值19.9 kJ/kg，約為汽油的45%;純甲醇的理論空燃比6.45，而汽油空燃比14.2～15.1，完全燃燒時所需的空氣比汽油少得多，可使汽油燃燒更加充分，提高汽油的熱效率，從而彌補(bǔ)甲醇熱值低所造成的部分損失;甲醇的蒸發(fā)潛熱1.088 kJ/kg，而汽油蒸發(fā)潛熱只有 0.31 ～ 0.34 kJ/kg［5］;甲醇的RON辛烷值約115，汽油的辛烷值約為90～97，所以甲醇和汽油按一定比例調(diào)和成為甲醇汽油作為點(diǎn)燃式發(fā)動機(jī)的液體燃料，需要甲醇在汽油中有一個合適量的范圍。

1 kg燃料完全燃燒理論上所需要的空氣量可按下式［6］計算:

式中，gC、gH、gO分別為燃料中碳、氫、氧的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

甲醇汽油的低熱值按下式計算:

式中，M甲醇、M汽油分別為甲醇汽油燃料中汽油和甲醇的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

式中，a為過量空氣系數(shù);mT為燃料的相對分子質(zhì)量。

通過上式可以估算出不同摻燒比例甲醇汽油燃料的理論空氣量、燃燒低熱值及化學(xué)計量混合氣低熱值，甲醇理論空氣量Lo為每千克燃料所需空氣質(zhì)量，結(jié)果見圖1。從圖1看出，M5～M20甲醇汽油與普通汽油的特性相近，綜合考慮能源替代、燃油經(jīng)濟(jì)性、安全性、可靠性，選用M15甲醇汽油做動力性、燃油經(jīng)濟(jì)性、排放特性研究。

圖1 甲醇汽油燃料的性質(zhì)參數(shù)隨摻燒比例的變化曲線Fig.1 Variation curves for parameters of methanol gasoline fuel with mixing proportion

汽車燃用M15甲醇汽油和93#號國標(biāo)汽油的總功率試驗(yàn)、穩(wěn)定工況全負(fù)荷特性試驗(yàn)和加速性能試驗(yàn)結(jié)果見表1、2。

由表1看出，M15甲醇汽油的最大有效功率與93#普通汽油相當(dāng)，總功率僅僅降低了0.98%。穩(wěn)定工況全負(fù)荷特性試驗(yàn)結(jié)果表明，在發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速2000～3200 r/min范圍內(nèi)，M15甲醇汽油的最低燃油消耗率與普通國標(biāo)93#汽油相當(dāng)。在發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速2000～2400 r/min范圍內(nèi)燃用甲醇汽油比燃用93#汽油節(jié)油0.344% ～0.575%;在發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速2600～3200 r/min范圍內(nèi)燃用93#汽油比燃用甲醇汽油多耗油0.094% ～0.112%。由表2看出，帕薩特、金杯汽車燃用M15甲醇汽油時的加速性能與燃用普通93#汽油相當(dāng)，在誤差范圍之內(nèi)?？梢?，汽車燃用M15甲醇汽油具有良好的動力性和燃油經(jīng)濟(jì)性，M15甲醇汽油與國標(biāo)汽油的替代比在(1.0～1.01)∶1.0。

汽車燃用M15甲醇汽油和93#國標(biāo)汽油的道路試驗(yàn)結(jié)果見表3。由表3看出，M15甲醇汽油的油耗略高于普通93#汽油，M15甲醇汽油與國標(biāo)汽油的替代比約為1.02∶1.0。

表1 帕薩特穩(wěn)定工況全負(fù)荷特性試驗(yàn)結(jié)果Table 1 Full load characteristic test results in stable working condition for Passat

表2 加速性能試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Acceleration performance test results

這說明兩方面的問題:①在國標(biāo)93#汽油中混入15%的甲醇，由于甲醇的熱值是汽油組分的45%，所以損失了6.75%的熱值;②甲醇氧含量50%，甲醇汽油混合燃料的自供氧能力提高了熱效率，使燃料燃燒更充分，并且甲醇的辛烷值高達(dá)110，M15甲醇汽油與普通93#汽油相比提高了辛烷值，從而提高了燃燒效率。燃燒效率的提高可以彌補(bǔ)98%熱值的損失，換句話講，M15甲醇汽油的熱效率比普通汽油提高了6.615%的熱效率。所以，M15甲醇汽油的動力性、加速性能、總功率與普通汽油相當(dāng)。

表3 道路試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Road test results

2.2 排放特性

2.2.1 常規(guī)排放特性對比

汽車燃用M15甲醇汽油和國標(biāo)93#汽油尾氣中未燃盡碳?xì)浠衔锖考捌鋵Ρ纫姳??？梢钥闯?，與國標(biāo)93#汽油相比，燃用M15甲醇汽油汽車尾氣中未燃盡碳?xì)浠衔锏呐欧帕拷档土?2%～61%，這是因?yàn)榧状己趿扛?，使得燃料在整個燃燒過程中燃燒充分，減少了碳?xì)浠衔锏纳闪俊?/p>

汽車燃用M15甲醇汽油和國標(biāo)93#汽油尾氣中碳氧化合物含量及其對比見表4。碳氧化合物的排放量降低了18% ～75%。當(dāng)供氧不足、有部分燃料不能完全燃燒的情況下會有大量碳氧化合物釋放。由于甲醇汽油的自含氧效應(yīng)，使得發(fā)動機(jī)在補(bǔ)償了甲醇汽油汽化潛熱的前提下會形成均勻的混合氣，從而生成較少的碳氧化合物。

汽車燃用M15甲醇汽油和國標(biāo)93#汽油尾氣中NOx化合物含量及其對比見表4。NOx的排放量總體來看增加1.0% ～12%。這是因?yàn)橛绊慛Ox生成主要有兩個方面的因素:①氧含量。氧含量低會抑制NOx的生成，相反氧含量高則促進(jìn)NOx的生成，甲醇因其高富氧而促進(jìn)NOx的生成;②滯留時間。因?yàn)镹O化合物的生成速度低于燃燒反應(yīng)，所以如果停留時間長，則利于NOx的生成。甲醇雖然在燃燒初期能夠促進(jìn)反應(yīng)，但是由于其熱值低，燃燒逐漸趨于緩慢，所以造成停留時間延長，從而促進(jìn)NOx的生成。但是車型不同、發(fā)動機(jī)不同，結(jié)果也差別很大。比如帕薩特燃用M15甲醇汽油時尾氣中NOx的排放量比用93#國標(biāo)汽油時尾氣中NOx的排放量減少約34.1%。

表4 汽車尾氣排放物含量對比Table 4 Comparison of vehicle emissions

2.2.2 非常規(guī)排放物

甲醇燃料汽車的常規(guī)排放優(yōu)于汽油車，沒有致癌物苯的排放，但是發(fā)動機(jī)尾氣中的未燃甲醇和甲醛濃度較高，并且隨著燃料中甲醇比例的增加而增加。從環(huán)?？紤]，甲醇燃料汽車尾氣中未燃甲醇和甲醛等非常規(guī)排放對環(huán)境及人類健康的潛在危害不容忽視［7-8］。為此，在北京理工大學(xué)動力性與排放性測試國家專業(yè)試驗(yàn)室進(jìn)行了汽車尾氣非常規(guī)排放試驗(yàn)，試驗(yàn)車輛是捷達(dá)舒適型FV7160CIF E3，車況良好，行駛里程18000 km。尾氣中非常規(guī)排放物的對比結(jié)果見表5。可以看出，汽車燃用93#汽油非常規(guī)排放物中也有甲醛，但是沒有乙醛、丙醛、丙烯醛和丙酮;汽車燃用M15甲醇汽油尾氣非常規(guī)排放物中既有甲醛，也有乙醛、丙醛、丙烯醛和丙酮。燃用M15甲醇汽油的尾氣中甲醛排放量略低于燃用普通93#汽油，并且非常規(guī)排放物總量也略低于燃用普通93#汽油，這與其他研究機(jī)構(gòu)的結(jié)論不一致［9］，可能是由試驗(yàn)車型、車況、M15甲醇汽油添加劑技術(shù)不同造成的。

和甲醇相比，汽油由幾百種不同的烴類物質(zhì)組成，其中有一些如苯是強(qiáng)致癌物，尾氣排放中的丁二烯、甲醛、乙醛、苯、HC、NOx都是有毒物質(zhì)。尾氣中含有烷烴、烯烴、芳烴及含氧有機(jī)化合物，用氣相色譜法可以識別的有200多種。其中，苯、1，3－丁二烯、甲醛、乙醛和環(huán)狀有機(jī)化合物為毒性有機(jī)化合物。應(yīng)該指出，這些毒性有機(jī)化合物不僅來源于烯烴，汽油中的其他組分亦有貢獻(xiàn)，甚至烷烴氧化后也會生成毒性有機(jī)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時，微生物會使醇的濃度迅速降低，比汽油和柴油造成的污染小、時間短。

甲醇燃料對環(huán)境更為有益，低比例甲醇汽油是清潔的替代能源。能夠代替石油的產(chǎn)品必須產(chǎn)量大、成規(guī)模，原料來源充分且獲取方便。甲醇汽油是一種廉價而清潔的車用燃料，由甲醇改性與汽油調(diào)配而成。甲醇可來源于煤、天然氣、焦?fàn)t氣、煤層氣及煤化工企業(yè)。發(fā)展煤基醇燃料，可大幅度提高煤炭的附加值，對促進(jìn)中國能源資源更深層次的開發(fā)和利用具有重要意義。

表5 汽車尾氣中非常規(guī)排放物對比Table 5 Comparison of vehicle emissions of unregulated emissions 10－6

3 結(jié)論

(1)M15甲醇汽油的動力性、加速性能、總有效功率、發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速2000～3200 r/min內(nèi)最低燃油消耗率與普通國標(biāo)93#汽油相當(dāng)。

(2)汽車燃用M15甲醇汽油的油耗略高于普通93#汽油，與國標(biāo)汽油的替代比約為1.02∶1.0。

(3)燃用M15甲醇汽油汽車尾氣中未燃盡碳?xì)浠衔锏呐欧帕勘热加闷胀ㄆ徒档土?2%～61%;碳氧化合物的排放量降低了18% ～75%;起亞、金杯車NOx的排放量增加了1.0% ～12%，而帕薩特車NOx的排放量卻減少34.1%。

(4)燃用M15甲醇汽油汽車尾氣中除甲醛外，還有少量的乙醛、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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