油品差異對(duì)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)性能影響的試驗(yàn)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(tuán)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(guó)汽車產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展。21世紀(jì)初，隨著中國(guó)進(jìn)入WTO以及中國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速崛起，汽車工業(yè)得到了跳躍式前進(jìn)。2007—2009年我國(guó)整車生產(chǎn)數(shù)量由世界第三躍居全球首位，到2014年，我國(guó)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(guó)中，歐洲國(guó)家均位于前列，日本、德國(guó)、美國(guó)汽車出口量分別占本國(guó)整個(gè)產(chǎn)量的50.3%、75.9%和19.3%，我國(guó)汽車出口比例在各國(guó)中最低，僅為3.1%，2014年達(dá)到3.8%，由此也說明我國(guó)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(guó)中，其他國(guó)家使用的汽油與我國(guó)不同，而針對(duì)其他油品全部做驗(yàn)證費(fèi)時(shí)費(fèi)力。目前國(guó)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(guó)第一次將乙醇和汽油混合用作汽車燃料。近年來，德國(guó)、法國(guó)、泰國(guó)等也開始逐步加強(qiáng)對(duì)乙醇汽油的研究［1-2］。因此，本文重點(diǎn)研究我國(guó)出口馬來西亞及泰國(guó)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(guó)92號(hào)汽油的不同特性，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證各油品對(duì)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(hào)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(gè)氧原子，因此乙醇是自含氧的；同時(shí)，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(dòng)機(jī)的排放特性。加入MTBE后，混合汽油的餾程也會(huì)發(fā)生改變，它可以降低混合汽油的餾出溫度，對(duì)于提升汽油機(jī)的起動(dòng)性有很大影響，同時(shí)它對(duì)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(jì)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?jiān)腃4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(hào)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(hào)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(dòng)液體，顏色呈透明至淡黃色，很難溶解于水，同時(shí)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(shí)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(huì)降低。因此，含水乙醇汽油的低熱值會(huì)隨著乙醇摻比上升呈下降趨勢(shì)；MTBE混合汽油由于低熱值和汽油相差不大，所以摻比對(duì)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(duì)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(shí)，其產(chǎn)生的動(dòng)力性均應(yīng)低于92號(hào)汽油。

表4 各油品低熱值對(duì)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(hào)汽油中氧的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為7%、2%和0%。混合燃料中氧的質(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(huì)改變汽油機(jī)的經(jīng)濟(jì)性以及CO、HC的排放［1-3］。但是，氧的質(zhì)量分?jǐn)?shù)過大也會(huì)導(dǎo)致一些問題，如O2分子會(huì)破壞潤(rùn)滑油與氣缸壁之間形成的潤(rùn)滑油膜造成磨損加劇，另外O2分子還會(huì)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(yàn)臺(tái)架與試驗(yàn)設(shè)備

發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架如圖1所示。主要測(cè)試設(shè)備有AVL公司的電力測(cè)功機(jī)、燃油消耗測(cè)試儀以及排放分析儀等。試驗(yàn)所用的發(fā)動(dòng)機(jī)為一臺(tái)缸內(nèi)直噴渦輪增壓發(fā)動(dòng)機(jī)，排量為2.0 L。在發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)臺(tái)架上分別使用E20含水乙醇汽油、MTBE混合汽油和92號(hào)汽油作為燃料，然后進(jìn)行試驗(yàn)分析。試驗(yàn)地點(diǎn)的海拔高度為0 m，大氣壓力為101 kPa，相對(duì)濕度為20%～45%，氣溫為25 ℃。考慮到試驗(yàn)為三種油品的對(duì)比試驗(yàn)，因此對(duì)測(cè)得的功率、燃油消耗率等參數(shù)不進(jìn)行大氣修正。整個(gè)試驗(yàn)階段也不對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)作任何調(diào)整。

圖1 試驗(yàn)臺(tái)架Fig.1 Test bench

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

整個(gè)試驗(yàn)中運(yùn)用PUMA控制臺(tái)架、記錄臺(tái)架數(shù)據(jù)，使用INCA軟件記錄發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行參數(shù)。試驗(yàn)通過外特性、負(fù)荷特性分別分析三種油品對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性及經(jīng)濟(jì)性的影響，并依據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)采用多工況法進(jìn)行各油品排放特性的考核。

3.1 動(dòng)力性

圖2為發(fā)動(dòng)機(jī)分別使用三種燃料時(shí)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(shí)，在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1 000～2 500 r·min-1以及大于 3 600 r·min-1時(shí)，與使用92號(hào)汽油時(shí)相比轉(zhuǎn)矩均下降，下降幅度均低于2.4%，對(duì)整機(jī)的動(dòng)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(dòng)機(jī)動(dòng)力性下降［3］。但由于乙醇的摻比較小，發(fā)動(dòng)機(jī)每個(gè)進(jìn)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(duì)促進(jìn)燃燒有利。同時(shí)，乙醇汽化潛熱較大，這對(duì)于提高進(jìn)氣密度有一定的幫助，因此使用E20含水乙醇汽油對(duì)整機(jī)的動(dòng)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(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩和使用 92 號(hào)汽油時(shí)轉(zhuǎn)矩相差不大；而在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到2 000 r·min-1以上時(shí)，轉(zhuǎn)矩要稍低于使用 92 號(hào)汽油時(shí)的動(dòng)力輸出。這主要是因?yàn)镸TBE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(shí)所產(chǎn)生的能量以及發(fā)動(dòng)機(jī)功率都會(huì)出現(xiàn)下降［5］。

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

3.2 經(jīng)濟(jì)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(duì)比。由圖中可知，使用E20含水乙醇汽油時(shí)燃油消耗率相比于使用92號(hào)汽油時(shí)的略有上升，而使用MTBE混合汽油時(shí)燃油消耗率則低于使用92號(hào)汽油時(shí)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(yuǎn)高于其他兩種油品，因此乙醇汽油的使用會(huì)造成缸內(nèi)溫度降低及汽缸壁激冷效應(yīng)等因素，對(duì)汽油機(jī)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(shí)，其 燃油消耗率曲線基本和92號(hào)汽油的重合，而隨著發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的升高，燃燒室壁面溫度也在提高；同時(shí)，MTBE混合燃料也是自含氧的，這對(duì)于燃燒條件有明顯的改善，在轉(zhuǎn)速高于 3 000 r·min-1時(shí)，使用 MTBE混合汽油能使燃料消耗下降7%左右［6-8］。②在整個(gè)試驗(yàn)工況下，使用E20含水乙醇燃料時(shí)的燃油消耗率普遍高于使用92號(hào)汽油時(shí)的燃油消耗率。這是因?yàn)橐掖己推偷牡蜔嶂捣謩e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(huì)上升；另外，從汽油機(jī)電噴系統(tǒng)考慮，因?yàn)檎麄€(gè)試驗(yàn)階段沒有對(duì)汽油機(jī)做任何調(diào)整，ECU（發(fā)動(dòng)機(jī)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(huì)比原來的小，在整個(gè)階段，ECU會(huì)按使用普通汽油在標(biāo)準(zhǔn)工況下的參數(shù)進(jìn)行控制，氧傳感器檢測(cè)到排氣中氧的體積分?jǐn)?shù)偏高時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)就會(huì)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(hào)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(jì)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(duì)比Fig.3 Comparison of fuel consumption rate for external characteristic test

圖4 4 000、5 200 r·min-1 時(shí)燃油消耗率對(duì)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(shí) CO 排放特性對(duì)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(dòng)機(jī)使用E20含水乙醇汽油時(shí)，CO排放特性在發(fā)動(dòng)機(jī)整個(gè)負(fù)荷范圍內(nèi)最低，CO排放有一定改善；而MTBE混合汽油時(shí)，大多數(shù)工況下CO排放明顯低于燃用92號(hào)汽油時(shí)的排放。原因是：①汽油機(jī)運(yùn)行在中、小負(fù)荷工況時(shí)，它會(huì)根據(jù)排氣管上氧傳感器的反饋信號(hào)將過量空氣系數(shù)基本控制在1.0～1.05。因?yàn)榇碱惡兔杨惖倪^量空氣系數(shù)低于普通汽油，電控系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)將空氣進(jìn)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(shí)，由于乙醇和MTBE本身含氧，燃燒時(shí)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(gè)原因。②在高負(fù)荷時(shí)，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(shì)，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(huì)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(gè)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(gè)負(fù)荷工況中，使用E20含水乙醇汽油和MTBE混合汽油時(shí)HC排放比使用普通汽油時(shí)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(shí)HC排放降低達(dá)23%左右。分析主要原因是：發(fā)動(dòng)機(jī)在中、小負(fù)荷時(shí)，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(shí)現(xiàn)完全燃燒。而進(jìn)入高負(fù)荷區(qū)域后，氣缸內(nèi)的混合氣會(huì)變濃，同時(shí)混合燃料中氧的體積分?jǐn)?shù)較高，因此對(duì)充分燃燒也有幫助［8-11］。

圖6 不同負(fù)荷特性時(shí) HC 排放特性對(duì)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(shí)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(dòng)機(jī)低負(fù)荷時(shí)，使用E20含水乙醇汽油對(duì)NOx排放有所改善。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)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(shí)，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(jìn)氣溫度和燃燒溫度下降的趨勢(shì)，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(shí)燃燒溫度過高促進(jìn)了NOx的生成；當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷增大時(shí)，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(duì)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(hào)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(shí)，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(huì)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(shí) NOx 排放特性對(duì)比Fig.7 Comparison of NOx emission under different loads

4 結(jié) 論

（1）在未對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)作任何調(diào)整的情況下，使用E20含水乙醇汽油對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)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(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性也低于使用92號(hào)汽油時(shí)的，其下降幅度約為2%。

（2）使用E20含水乙醇汽油時(shí)燃油消耗率略有上升，而使用MTBE混合汽油時(shí)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(dòng)機(jī)使用E20含水乙醇汽油與MTBE混合汽油時(shí)，CO的排放在整個(gè)負(fù)荷范圍內(nèi)基本低于使用92號(hào)汽油時(shí)的；在整個(gè)負(fù)荷工況中，使用E20含水乙醇汽油與MTBE混合汽油時(shí)，HC的排放相對(duì)使用普通汽油時(shí)有顯著改善；使用E20含水乙醇汽油后在發(fā)動(dòng)機(jī)低負(fù)荷時(shí)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(shí)使用MTBE混合汽油對(duì)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。