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。
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。
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。
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。
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)。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
2014, Vol. 43 Issue (1): 44-48
2014, Vol. 43 Issue (1): 44-48