E15 与M15 做为车用内燃机燃料的应用性能比较

贾伟艺 李洪娟 彭 胜 王志彦

（1-开滦煤化工研发中心 河北 唐山 063611 2-河北省煤基材料与化学品技术创新中心3-唐山开滦化工科技有限公司）

引言

近年来，我国通过油品升级来防治大气污染的工作力度明显加大。2016 年12 月，国家质量监督检验检疫总局和国家标准化委员会联合发布实施了GB 17930-2016 车用汽油国家标准，提出2019 年1月1 日起全国实施国ⅥA 汽油标准，2023 年1 月1日起全国实施国ⅥB 汽油标准。2017 年3 月发布实施的《京津冀及周边地区2017 年大气污染防治工作方案》中，明确提出要加强油品质量管理，提前实施国Ⅵ汽油标准。2017 年9 月，GB 18351-2015 车用乙醇汽油（E10）发布实施，2018 年2 月，GB 35793-2018 车用乙醇汽油E85 发布。由于低比例甲醇汽油国家标准涉及多方面的原因尚未出台，仅有GB/T 23510-2009 车用燃料甲醇、GB/T 23799-2009 车用甲醇汽油（M85）、GB/T 34548-2017 车用甲醇汽油添加剂等标准先后发布实施。但多年来，科研人员对低比例甲醇汽油的研究并没有因此而止步。

目前，国内对低比例甲醇汽油的研究多以M15为主[1-5]，对乙醇汽油的研究多数集中在我国即将全面推广应用的E10 乙醇汽油上[6-8]，而针对E15 乙醇汽油的研究较少。同一添加比例下，乙醇汽油与甲醇汽油在应用性能上有所区别。本文通过发动机转矩、油耗、功率试验，系统研究了92#汽油、E15 乙醇汽油、M15 甲醇汽油的速度特性、负荷特性和排放特性，并分别进行了比较。

1 研究方法

1.1 试验材料

试剂：92#汽油，市售；甲醇，工业级优等品，市售；乙醇，工业级优等品，市售；甲醇汽油添加剂（自制）；乙醇汽油添加剂（自制）。试验用汽油、乙醇、甲醇部分参数见表1。

表1 试验用汽油、乙醇、甲醇部分参数

分别选用市售92#汽油、工业甲醇、工业乙醇，以及甲醇汽油添加剂[9]（质量比不超过0.7%）、乙醇汽油添加剂（质量比不超过0.7%），按一定调配工艺配制E15 乙醇汽油、M15 甲醇汽油，配制的M15 甲醇汽油、E15 乙醇汽油均符合相关标准要求[10-11]。

1.2 试验设备

1.2.1 发动机台架试验设备

发动机台架试验是在机械工业内燃机油品检验评定中心经国家认证认可监督管理委员会资质认定的发动机评定台架上进行的。台架试验布置示意图如图1 所示[12]。

图1 发动机台架试验布置示意图

台架试验评定用发动机的主要参数见表2。

表2 评定用发动机主要参数

台架试验评定用测功机为CW-160 电涡流测功机，额定制动功率为160 kW，额定转速为7 000 r/min。

1.2.2 发动机排气污染物排放试验设备

发动机排气污染物排放是唐山广运机动车检测公司采用SVW7203VPD 帕萨特轿车测定的，试验所用排气分析仪型号为MQW-50A。

1.2.3 馏程测定设备

油品馏出物为10%、50%体积分数时的温度（简称t10%、t50%），通过大连汇丰石油仪器有限公司的DHF-003C 蒸馏测定器测定获得。

1.3 试验方法

1.3.1 发动机台架试验方法

根据GB/T 18297-2001 汽车发动机性能试验方法[13]，开展发动机台架试验。按标准要求，发动机配备指定配件后起动，待转速、转矩及排气温度稳定1 min 后，在发动机油门全开的条件下，先保持发动机转速在一定的规定范围，然后逐渐改变转速以达到测量要求，分别记录功率、转矩、燃料消耗量等特征参数，测量燃料消耗量的时间不少于20 s。

在发动机转速不变的情况下，从小负荷开始，逐步开大油门，直至油门全开，适当地分布测量点，记录功率、转矩、燃料消耗量等特征参数，绘制发动机负荷特性曲线。

1.3.2 发动机排气污染物排放试验方法

依照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（双怠速法及简易工况法）[14]，大众帕萨特轿车分别加注92#汽油、E15 乙醇汽油、M15 甲醇汽油，对同一工况下的尾气排放进行常规排放检测。设定怠速转速为750 r/min，高怠速转速为2 500 r/min。

1.3.3 馏程特性测定试验

根据GB/T 6536-2010 石油产品常压蒸馏特性测定法[15]，对本试验馏程相关数据进行测定。

2 结果与分析

2.1 发动机速度特性测试

92#汽油的速度特性测试结果见表3，E15 乙醇汽油的速度特性测试结果见表4，M15 甲醇汽油的速度特性测试结果见表5。

表3 92#汽油的速度特性测试结果

在100%负荷、不同转速下，3 种燃料的发动机输出转矩见图2，输出功率见图3。

通过图2、图3 可以看出，在100%负荷下，3 种燃料的输出功率、输出转矩变化趋势基本一致。相比于92#汽油，醇类汽油的转矩、功率等性能皆有不同程度的下降。发动机转速保持在2 500～3 500 r/min（低转速）时，92#汽油、M15 甲醇汽油、E15 乙醇汽油的转矩关系为：92#汽油＞M15 甲醇汽油＞E15 乙醇汽油。这主要是因为低转速时，甲醇/乙醇汽油自身含氧，有助于燃料充分燃烧，并且醇类汽油辛烷值高于纯汽油，所以其速度特性整体变化幅度不大；而且由于M15 甲醇汽油的氧含量高于E15 乙醇汽油，使得M15 甲醇汽油在相同转速下的功率、转矩高于E15乙醇汽油。

表4 E15 乙醇汽油的速度特性测试结果

表5 M15 甲醇汽油的速度特性测试结果

图2 100%负荷下发动机的输出转矩

图3 100%负荷下发动机的输出功率

本文对与车辆起动性能、发动机暖机时间及发动机加速性能相关的油品蒸发性能指标t10%、t50%进行测定，测定结果见表6。

表6 92#汽油、E15 乙醇汽油、M15 甲醇汽油的蒸发性能比较

表6 的数据显示，相比于92#汽油，E15 乙醇汽油与M15 甲醇汽油的t10%、t50%等2 项指标的馏出温度均有一定程度的降低，降低范围在4～8℃之间。这主要是因为加入甲醇/乙醇后，汽油变得更容易挥发，发动机加速变得更加灵活，运行更加稳定，这也是低转速时醇类汽油与汽油的速度特性数据相差很小的原因。

当转速在4 000～5 000 r/min（高转速）时，相比于92#汽油，E15 乙醇汽油、M15 甲醇汽油的功率、转矩均出现明显下降，且M15 甲醇汽油的功率、转矩降低幅度高于E15 乙醇汽油。这是由于在自然吸气汽油机未做任何调整的情况下，低转速下，ECU 调整的混合气浓度偏高；高转速下，ECU 调整的混合气浓度偏稀，此时，醇类汽油低热值因素的影响增强，超过了辛烷值提高及氧气助燃作用的影响。台架试验结果表明，与92#汽油相比，E15 乙醇汽油的平均功率降低了1.2%，M15 甲醇汽油的平均功率则降低了3.9%。

理论上，本试验所用测功机的最高转速能达到6 000 r/min，但是在本文的台架试验中，最高转速控制在5 000 r/min。在对比试验中，转速的相关控制对试验结果无影响。

2.2 发动机负荷特性试验

利用发动机负荷特性曲线，可以更全面地确定发动机在各种负荷下的经济性。本试验对92#汽油、E15 乙醇汽油和M15 甲醇汽油等3 种燃料进行了2 500 r/min 下的负荷特性对比试验，通过该试验对比3 种燃料的燃油经济性。试验结果如图4 所示。

图4 发动机负荷特性曲线对比

根据图4 可以看出，在发动机转速一定时，当节气门刚打开，负荷较小时的情况下，92#汽油、M15 甲醇汽油、E15 乙醇汽油的燃油消耗率均最高。在节气门缓慢开启、负荷逐渐增大的过程中，燃油消耗率逐渐降低直至到达最低点，这时节气门已经接近全开。继续增大节气门开度时，燃油消耗率又逐渐上升。在整个试验工况，醇类燃料的燃油消耗率普遍比92#汽油高，E15 乙醇汽油的燃油消耗率升高了3.5%左右，M15 甲醇汽油的燃油消耗率升高了3.1%左右。不过，此结果与通过燃料低热值计算所得结果并不完全相同。醇基液体燃料低热值可由公式（1）进行计算。其中，汽油、甲醇、乙醇的密度、低热值分别如表1 所示。

式中：QGC为汽油与醇基液体燃料的低热值，MJ/kg；MG为汽油在醇基液体燃料中的质量百分比，%；MC为甲醇/乙醇在醇基液体燃料中的质量百分比，%；Qg为醇基液体燃料中汽油的低热值，MJ/kg；QC为醇基液体燃料中甲醇/乙醇的低热值，MJ/kg。

计算时，将醇基液体燃料中汽油、甲醇/乙醇的体积百分比分别按公式（2）、公式（3）换算为质量百分比MG、MC：

式中：ρg为汽油的密度，kg/m3；ρc为甲醇或乙醇的密度，kg/m3；α 为醇基液体燃料中汽油所占的体积比；β为醇基液体燃料中甲醇或乙醇所占的体积比。

根据公式（1），3 种试验燃料低热值的计算结果见表7。

若只按照低热值计算燃料经济性，则M15 甲醇汽油的燃油消耗率升高了8.39%，E15 乙醇汽油的燃油消耗率升高了5.91%。可知，发动机负荷特性试验所得数据远低于这2 个数据。造成该结果的因素可能有醇类辛烷值高、着火极限宽、火焰传播速度快、沸点低、蒸发性好及含氧助燃等多个方面。

表7 试验燃料的低热值

将通过低热值计算出的燃油消耗率升高率与通过负荷特性试验所获得的数据进行对比，可以看出，在实际的应用中，相比于汽油，醇类汽油的燃油消耗率升高并不是很明显。

2.3 发动机排气污染物排放试验

对发动机燃用不同燃料时所排放污染物进行试验，试验结果及对比情况见表8。

表8 发动机排气污染物排放试验结果

由表8 可知，大多数工况下，醇类汽油对CO、HC 排放改善较大。这是由于HC 和CO 的形成，更多是由于燃料没有进行完全燃烧。HC 和CO 的形成与过量空气系数紧密相关，通常情况下，HC 和CO 排放伴随过量空气系数的增大而减少[16-17]。由于甲醇分子本身含有50%的氧，乙醇分子本身含有34.8%的氧，故而醇类汽油的含氧比例比92#汽油高，从而使HC 和CO 排放能有效降低。这种有利作用多体现在怠速阶段，从表8 可以看出，燃用E15 乙醇汽油时，怠速CO 排放比燃用汽油时降低了29.8%；燃用M15甲醇汽油时，HC 排放降低最为明显，尤其是怠速工况下，HC 排放降低了42.22%。

值得注意的是，E15 乙醇汽油怠速时的HC 排放高于92#汽油。原因极大可能是乙醇在燃烧过程中没有参与燃烧或者没有完全燃烧，通过曲轴箱附近排入大气。另外，燃料蒸发也是原因之一。周龙保等人认为，壁面淬熄、狭隙效应等是HC 产生的主要来源。当火焰传播至气缸壁面附近时，壁面具有一定的冷却效果，导致火焰无法完全传播至壁面，大约有0.5mm 厚度的混合气不能燃烧，淬冷层指的就是这层无法燃烧的气体层[18]。由于甲醇、乙醇的粘度低于汽油，在燃烧过程中更易渗入曲轴箱中，造成淬冷层内醇类含量增加，使得HC 排放增加。通过提高润滑油性能或对汽油机的点火时间等参数进行优化调整，可进一步降低污染物排放。

3 结论

本文研究了E15 乙醇汽油、M15 甲醇汽油与92#汽油的应用性能，通过发动机台架试验与污染物排放试验，考察了转矩、功率、油耗、CO 排放、HC 排放试验结果，分析了燃料的速度特性、负荷特性和排放特性等车用应用性能。结果表明，E15 乙醇汽油、M15 甲醇汽油等醇类汽油减排效果明显。醇类的助燃、高辛烷值特征在低转速时作用明显，在低转速时，E15 乙醇汽油、M15 甲醇汽油的应用性能与92# 汽油差别很小，且M15 甲醇汽油的应用性能优于E15乙醇汽油。在高转速时，与92#汽油相比，E15 乙醇汽油、M15 甲醇汽油的功率、转矩均出现比较明显的下降，E15 乙醇汽油的平均燃油消耗率升高了3.5%左右，M15 甲醇汽油的平均燃油消耗率升高了3.1%左右，但远低于通过低热值所计算出的理论数据。E15乙醇汽油、M15 甲醇汽油均为优良的汽油替代燃料，若进一步优化点火时间、ECU 匹配等，可进一步发挥醇类汽油的优势，达到更好的节能减排效果。