油品差異對汽車發(fā)動機性能影響的試驗研究

周 哲，張振東，董旭峰，饒洪宇，張華清，李 凱

（1.上海理工大學(xué) 汽車工程研究所，上海 200093；2.上海汽車集團股份有限公司 商用車技術(shù)中心，上海 200438）

從改革開放以來，我國汽車產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展。21世紀(jì)初，隨著中國進入WTO以及中國經(jīng)濟的快速崛起，汽車工業(yè)得到了跳躍式前進。2007—2009年我國整車生產(chǎn)數(shù)量由世界第三躍居全球首位，到2014年，我國汽車產(chǎn)量超過2 300萬輛，創(chuàng)全球歷史新高，連續(xù)6年蟬聯(lián)全球第一［1］。

但是，在全球主要汽車出口大國中，歐洲國家均位于前列，日本、德國、美國汽車出口量分別占本國整個產(chǎn)量的50.3%、75.9%和19.3%，我國汽車出口比例在各國中最低，僅為3.1%，2014年達到3.8%，由此也說明我國汽車工業(yè)的發(fā)展還有很大上升空間［1-2］。

在主要汽車出口國中，其他國家使用的汽油與我國不同，而針對其他油品全部做驗證費時費力。目前國內(nèi)外除汽油外使用最多的是醇類燃料和甲基叔丁基醚（methyl tert-butyl ether，MTBE）混合燃料。最早使用MTBE混合汽油的是歐洲，乙醇被用作燃料最早是在1908年。20世紀(jì)30年代，美國第一次將乙醇和汽油混合用作汽車燃料。近年來，德國、法國、泰國等也開始逐步加強對乙醇汽油的研究［1-2］。因此，本文重點研究我國出口馬來西亞及泰國汽車所使用的MTBE（體積分?jǐn)?shù)為10%）混合汽油、乙醇體積分?jǐn)?shù)為20%（E20）的含水乙醇汽油與我國92號汽油的不同特性，并通過試驗驗證各油品對整車性能的影響。

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號汽油（體積分?jǐn)?shù)占80%）和95%～97%純度乙醇（體積分?jǐn)?shù)占20%）的調(diào)和物。從微觀角度來看，乙醇含有一個氧原子，因此乙醇是自含氧的；同時，乙醇作為一種液體，和汽油相比在很多性質(zhì)上有一定的共性，但也存在很多不同。乙醇的理化性質(zhì)如表1所示，表中理論空燃比指可燃混合氣中空氣質(zhì)量與燃油質(zhì)量之比。

表1 乙醇的理化性質(zhì)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，它可以提高汽車燃料的含氧量和改善發(fā)動機的排放特性。加入MTBE后，混合汽油的餾程也會發(fā)生改變，它可以降低混合汽油的餾出溫度，對于提升汽油機的起動性有很大影響，同時它對汽油密度的影響與其在汽油中的濃度高低呈線性關(guān)系［2］。因此，MTBE混合汽油是醇類燃料中最有發(fā)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車的燃油經(jīng)濟性。

MTBE的制作原料是甲醇和異丁烯。甲醇可從天然氣、煤炭中提取，異丁烯可從石腦油裂解殘渣的C4餾份中獲得。得到MTBE的化學(xué)反應(yīng)式為

表2給出了MTBE以及添加了體積分?jǐn)?shù)為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質(zhì)Tab.2 Physical and chemical properties of MTBE and its blended gasoline

1.3 92 號汽油的理化特性

汽油是由原油分餾及重質(zhì)餾分裂化制得，它是用量最大的輕質(zhì)石油產(chǎn)品之一，是引擎的一種重要燃料。92號汽油就是辛烷值為92的汽油，其基本不含氧元素，外觀常溫下為易流動液體，顏色呈透明至淡黃色，很難溶解于水，同時汽油是可燃的，目前廣泛使用在汽車上。汽油的理化性質(zhì)如表3所示。

表3 汽油的理化性質(zhì)Tab.3 Physical and chemical properties of gasoline

1.4 各油品熱值和含氧量的比較

熱值的含義是單位質(zhì)量燃料充分燃燒時所釋放的能量，主要用于表征燃料的放熱能力。乙醇的低熱值要低于汽油的，且隨著乙醇的逐漸加入，混合燃料的低熱值也會降低。因此，含水乙醇汽油的低熱值會隨著乙醇摻比上升呈下降趨勢；MTBE混合汽油由于低熱值和汽油相差不大，所以摻比對低熱值影響不明顯［1-2］。表4為各油品低熱值與普通汽油的對比情況：E20含水乙醇汽油的低熱值相當(dāng)于汽油的92.2%；MTBE混合汽油的低熱值相當(dāng)于汽油的96.8%。所以就各油品低熱值而言，使用E20含水乙醇汽油和MTBE汽油時，其產(chǎn)生的動力性均應(yīng)低于92號汽油。

表4 各油品低熱值對比Tab.4 Comparison of low calorific value among the fuels

乙醇和MTBE分子是自含氧的，它們和汽油調(diào)配成的混合燃料也成為含氧燃料。E20含水乙醇汽油、MTBE混合汽油和92號汽油中氧的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為7%、2%和0%?；旌先剂现醒醯馁|(zhì)量分?jǐn)?shù)高于純汽油且隨其摻比的增加而增加，自含氧燃料在燃燒中更容易發(fā)生反應(yīng)，使燃燒過程得到改善，熱效率提高，從而可能會改變汽油機的經(jīng)濟性以及CO、HC的排放［1-3］。但是，氧的質(zhì)量分?jǐn)?shù)過大也會導(dǎo)致一些問題，如O2分子會破壞潤滑油與氣缸壁之間形成的潤滑油膜造成磨損加劇，另外O2分子還會使?jié)櫥桶l(fā)生氧化反應(yīng)從而發(fā)生變質(zhì)［2-3］。

2 試驗臺架與試驗設(shè)備

發(fā)動機試驗臺架如圖1所示。主要測試設(shè)備有AVL公司的電力測功機、燃油消耗測試儀以及排放分析儀等。試驗所用的發(fā)動機為一臺缸內(nèi)直噴渦輪增壓發(fā)動機，排量為2.0 L。在發(fā)動機試驗臺架上分別使用E20含水乙醇汽油、MTBE混合汽油和92號汽油作為燃料，然后進行試驗分析。試驗地點的海拔高度為0 m，大氣壓力為101 kPa，相對濕度為20%～45%，氣溫為25 ℃?？紤]到試驗為三種油品的對比試驗，因此對測得的功率、燃油消耗率等參數(shù)不進行大氣修正。整個試驗階段也不對發(fā)動機作任何調(diào)整。

圖1 試驗臺架Fig.1 Test bench

3 試驗結(jié)果與分析

整個試驗中運用PUMA控制臺架、記錄臺架數(shù)據(jù)，使用INCA軟件記錄發(fā)動機運行參數(shù)。試驗通過外特性、負(fù)荷特性分別分析三種油品對發(fā)動機動力性及經(jīng)濟性的影響，并依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)采用多工況法進行各油品排放特性的考核。

3.1 動力性

圖2為發(fā)動機分別使用三種燃料時在各轉(zhuǎn)速下的外特性轉(zhuǎn)矩曲線。從圖中可看出，使用E20含水乙醇汽油時，在發(fā)動機轉(zhuǎn)速為1 000～2 500 r·min-1以及大于 3 600 r·min-1時，與使用92號汽油時相比轉(zhuǎn)矩均下降，下降幅度均低于2.4%，對整機的動力性影響較小。主要原因在于：就低熱值而言，醇類燃料比汽油低，所以在同樣體積噴油量下循環(huán)放熱量減少，使發(fā)動機動力性下降［3］。但由于乙醇的摻比較小，發(fā)動機每個進氣行程吸入混合燃料的總能量相差不大，而且乙醇本身含氧，對促進燃燒有利。同時，乙醇汽化潛熱較大，這對于提高進氣密度有一定的幫助，因此使用E20含水乙醇汽油對整機的動力性影響不大［4］。使用MTBE混合汽油，且轉(zhuǎn)速低于 2 000 r·min-1時，發(fā)動機轉(zhuǎn)矩和使用 92 號汽油時轉(zhuǎn)矩相差不大；而在發(fā)動機轉(zhuǎn)速達到2 000 r·min-1以上時，轉(zhuǎn)矩要稍低于使用 92 號汽油時的動力輸出。這主要是因為MTBE屬于醚類，其低熱值要稍低于汽油。和汽油混合后，混合燃料的低熱值下降，所以和燃用相同體積的汽油相比，使用MTBE混合汽油時所產(chǎn)生的能量以及發(fā)動機功率都會出現(xiàn)下降［5］。

圖2 外特性轉(zhuǎn)矩對比Fig.2 Comparison of external characteristic torque

3.2 經(jīng)濟性

圖3、4為使用三種油品的外特性及4 000、5 200 r·min-1負(fù)荷特性下的燃油消耗率對比。由圖中可知，使用E20含水乙醇汽油時燃油消耗率相比于使用92號汽油時的略有上升，而使用MTBE混合汽油時燃油消耗率則低于使用92號汽油時的燃油消耗率。原因是：①E20含水乙醇汽油的燃油消耗率高于其他兩種油品，這是由于乙醇的汽化潛熱遠高于其他兩種油品，因此乙醇汽油的使用會造成缸內(nèi)溫度降低及汽缸壁激冷效應(yīng)等因素，對汽油機做功行程造成了一定的不利影響［6］。MTBE的汽化潛熱和汽油相差不大，因此其混合汽油在低負(fù)荷區(qū)域的燃油消耗率基本和汽油的相等。從圖3中可以看出，在轉(zhuǎn)速低于3 000 r·min-1時，其 燃油消耗率曲線基本和92號汽油的重合，而隨著發(fā)動機轉(zhuǎn)速的升高，燃燒室壁面溫度也在提高；同時，MTBE混合燃料也是自含氧的，這對于燃燒條件有明顯的改善，在轉(zhuǎn)速高于 3 000 r·min-1時，使用 MTBE混合汽油能使燃料消耗下降7%左右［6-8］。②在整個試驗工況下，使用E20含水乙醇燃料時的燃油消耗率普遍高于使用92號汽油時的燃油消耗率。這是因為乙醇和汽油的低熱值分別為27.2、44.52 MJ·kg-1，混合后其混合燃料的低熱值下降，因此燃油消耗率會上升；另外，從汽油機電噴系統(tǒng)考慮，因為整個試驗階段沒有對汽油機做任何調(diào)整，ECU（發(fā)動機電控單元）中目標(biāo)空燃比的參數(shù)是按照普通汽油設(shè)定的；乙醇和汽油混合后，其理論空燃比會比原來的小，在整個階段，ECU會按使用普通汽油在標(biāo)準(zhǔn)工況下的參數(shù)進行控制，氧傳感器檢測到排氣中氧的體積分?jǐn)?shù)偏高時，發(fā)動機就會通過ECU的指令增加額外供油量［7-9］。而MTBE混合汽油的低熱值雖然相比于92號汽油的略有降低，但其辛烷值要高于汽油，因此抗爆震性能也高于普通汽油，所以改善了汽車的燃油經(jīng)濟性，其燃油消耗率也明顯低于其他兩種油品。

圖3 外特性燃油消耗率對比Fig.3 Comparison of fuel consumption rate for external characteristic test

圖4 4 000、5 200 r·min-1 時燃油消耗率對比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

圖5 不同負(fù)荷特性時 CO 排放特性對比Fig.5 Comparison of CO emission under different loads

圖5為2 000、3 000 r·min-1下各油品的CO排放特性。由圖中可知，發(fā)動機使用E20含水乙醇汽油時，CO排放特性在發(fā)動機整個負(fù)荷范圍內(nèi)最低，CO排放有一定改善；而MTBE混合汽油時，大多數(shù)工況下CO排放明顯低于燃用92號汽油時的排放。原因是：①汽油機運行在中、小負(fù)荷工況時，它會根據(jù)排氣管上氧傳感器的反饋信號將過量空氣系數(shù)基本控制在1.0～1.05。因為醇類和醚類的過量空氣系數(shù)低于普通汽油，電控系統(tǒng)會自動將空氣進氣量降低，以維持過量空氣系數(shù)使三效催化器正常工作，基本上保證燃料充分燃燒［6-9］。同時，由于乙醇和MTBE本身含氧，燃燒時生成大量羥基，原子氧要比分子氧更有助于充分燃燒，這是CO排放特性改善的一個原因。②在高負(fù)荷時，過量空氣系數(shù)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充分發(fā)揮含氧優(yōu)勢，使CO排放降低［7-9］。③乙醇和MTBE化學(xué)結(jié)構(gòu)中羥基的燃燒反應(yīng)特征與普通汽油中的烴類有一定差異，在燃燒過程中會使著火溫度降低且不易熄火，這是CO排放獲得改善的另一個重要原因［8-11］。

3.3.2 HC 排放特性

圖6為兩種轉(zhuǎn)速下各油品的HC排放特性。由圖中可知，在整個負(fù)荷工況中，使用E20含水乙醇汽油和MTBE混合汽油時HC排放比使用普通汽油時有顯著改善。使用E20含水乙醇汽油可降低HC排放9%左右，使用MTBE混合汽油時HC排放降低達23%左右。分析主要原因是：發(fā)動機在中、小負(fù)荷時，ECU的控制策略使過量空氣系數(shù)穩(wěn)定在1.0～1.05，基本可以實現(xiàn)完全燃燒。而進入高負(fù)荷區(qū)域后，氣缸內(nèi)的混合氣會變濃，同時混合燃料中氧的體積分?jǐn)?shù)較高，因此對充分燃燒也有幫助［8-11］。

圖6 不同負(fù)荷特性時 HC 排放特性對比Fig.6 Comparison of HC emission under different loads

3.3.3 NOx 排放特性

NOx的生成原因與CO和HC有很大差別，它是空氣在氣缸內(nèi)的高溫條件下，由氧和氮的反應(yīng)所形成，高溫富氧以及高溫持續(xù)時間是生成NOx的重要條件。圖7為兩種轉(zhuǎn)速下各油品的NOx排放特性。從圖中可看出，在發(fā)動機低負(fù)荷時，使用E20含水乙醇汽油對NOx排放有所改善。隨著發(fā)動機負(fù)荷的增加，由于空燃比變小，排放效果改善不顯著。原因是在低負(fù)荷時，由于空燃比基本一定，醇類燃料的低熱值低，汽化潛熱大，有使進氣溫度和燃燒溫度下降的趨勢，NOx排放降低。乙醇中氧的質(zhì)量分?jǐn)?shù)高，有利于完全燃燒，且由于瞬時燃燒溫度過高促進了NOx的生成；當(dāng)發(fā)動機負(fù)荷增大時，混合氣體積分?jǐn)?shù)變高，缸內(nèi)燃燒溫度上升，在這兩方面的共同作用下，造成了NOx的排放效果改善不明顯［10-11］。而使用MTBE混合汽油，在低轉(zhuǎn)速低負(fù)荷條件下，對于改善NOx的排放有一定效果，但隨著轉(zhuǎn)速和負(fù)荷的上升，NOx的排放改善效果反而變差，甚至排放超過92號汽油，前期排放改善的主要原因和E20含水乙醇汽油的一樣，后期在高轉(zhuǎn)速高負(fù)荷時，由于MTBE混合汽油的汽化潛熱較低，和汽油的相差不大，因此燃燒溫度會持續(xù)上升，在高溫富氧的環(huán)境中導(dǎo)致了NOx的排放惡化。

圖7 不同負(fù)荷特性時 NOx 排放特性對比Fig.7 Comparison of NOx emission under different loads

4 結(jié) 論

（1）在未對發(fā)動機機作任何調(diào)整的情況下，使用E20含水乙醇汽油對發(fā)動機的動力性影響不大，下降幅度在2.4%以內(nèi)；使用MTBE（體積分?jǐn)?shù)為10%）混合汽油時發(fā)動機動力性也低于使用92號汽油時的，其下降幅度約為2%。

（2）使用E20含水乙醇汽油時燃油消耗率略有上升，而使用MTBE混合汽油時燃油消耗率則明顯比汽油的低，使用MTBE混合汽油能使燃料消耗下降7%左右。

（3）發(fā)動機使用E20含水乙醇汽油與MTBE混合汽油時，CO的排放在整個負(fù)荷范圍內(nèi)基本低于使用92號汽油時的；在整個負(fù)荷工況中，使用E20含水乙醇汽油與MTBE混合汽油時，HC的排放相對使用普通汽油時有顯著改善；使用E20含水乙醇汽油后在發(fā)動機低負(fù)荷時NOx排放有所改善，隨著負(fù)荷增加，NOx的排放效果改善不明顯；在低轉(zhuǎn)速低負(fù)荷時使用MTBE混合汽油對NOx排放有一定改善，但隨著轉(zhuǎn)速和負(fù)荷的升高，NOx排放效果反而變差。