生物基汽油添加剂组分对汽油机油耗的影响

2004年 9月 石 油 炼 制 与 化 工 PETROLEUM PROCESSING AND PETROCHEMICAI S 第 35卷第 9期 生物基汽油添加剂组分对汽油机油耗的影响 姚春德 ，卢艳彬 ，李云强 ，王艳霞 (天津大学内燃机燃烧学国家重点实验室，天津 300072) 摘要 通过汽油机 台架试验，对一种加入汽油 中的改性生物基添加剂组成及其添加 比例对发 动机燃油经济性的作用及效果进行 了研究。结果表明，尽管增溶剂能提高添加剂原液与汽油在低 温下的互溶性 ，但是仅加入增溶剂对发动机的燃油经济性几乎没有任何改善 ；添加剂原液对发动机 燃油经济性 的改善幅度最大，最高可达 8 左右 ，而且存在 一个最佳添加 比例，以使发动机获得最 好的综合性能 。 关键词 ：汽油料 改性 添加剂 汽油机 燃料 消耗 1 前 言 随着人们对能源可持续发展以及环境保护的 重视，要求汽车不仅要降低油耗 ，而且也要降低其 排放物对环境的危害。燃料既能够降低油耗、 减少排放，同时能达到燃料配方的重组 ，减少由石 油资源紧张所带来的压力。对燃料添加剂的研究 是燃料设计大范畴中的一部分，目前受到人们的普 遍重视uj。 国外以棕榈油为原料制备了一种生物基汽油 添加剂，该添加剂对发动机的燃油经济性具有较显 著的改进作用l2]。由于植物原料制成的油料燃烧 所排放 出来 的 C0 是其生长期 内所吸收 C0。的 1／6～1／4_3 J。因此，生物基汽油添加剂不仅可以节 约燃油，使发动机实现高效率，低排放工作 ，而且对 减少温室气体 c0 排放 以及实现车用能源的可持 续发展具有重要意义。 目前，对这种生物添加剂的研究取得了一些成 果 ，已经对这种生物添加剂的作用特点、对我国生 产汽油成分改变的适应性 以及实车道路试验 中的 表现等有所了解。但是 ，由于这种生物添加剂在国 内使用必须添加增溶剂以提高低温下与汽油的互 溶性 ，导致生物添加剂本身发生变化。因此，有必 要对添加剂原液、增溶剂 、改性添加剂加到汽油中 之后对发动机经济性的影响进行研究，达到利用生 物基燃料 ，维持能源可持续发展的目的。 2 生物基汽油添加剂及增溶剂的特点 经检测表明_4]，这种国外的生物基汽油添加剂 的主要成分取 自产于热带植物棕榈油中的脂肪酸 ， 主要组分为 C 酸和 C 酸。棕榈油中含有 40 ～ 50 的固体脂肪酸，其中80 为棕榈酸。 以棕榈油提取物为主要成分的添加剂添加到 汽油中使用，可以较大幅度改善汽 车的燃油经济 性 ]。但来 自热带的植物添加剂在我国冬季的低 温下呈膏状，几乎没有 流动性，与汽油难 以相溶。 因此 ，对其进行了低温增溶的改性 。增溶剂为市售 甲醇、异丙醇等醇类物质 ，为分析级 ，其组成为加入 到原液后保证在 一14℃使添加剂完全溶解为准。 增溶剂与添加剂原液按一定比例进行混合，制成改 性生物基添加剂。物性测量结果表明，改性添加剂 以 1．4 9／5的比例加入到汽油中，可以使混合汽油的 辛烷值增加 1．5个单位。 3 发动机台架试验 3．1 试验设备及发动机 试验工作主要在发动机台架上进行。试验发 动机是在一台用于丰田花冠牌轿车的 4A 型汽油 机上进行，发动机的部分参数见表 1。 试验用燃油为市场加油站 93号汽油，试验用 的油 耗仪 为 杭州 奕 科 机 电技 术研 究 所 生产 的 FCM一05型油耗仪，精度为 0．8 。试验测功机为 收稿 日期：2003一l2-3l；修改稿收到日期：2004—03—08。 作者简介 ：姚春德(1955一)，男，博士，教授，天津大学内燃机 燃烧学国家重点实验室副主任 ，中国工程热物理学会常务理 事。主要研究方向为内燃机工作过程及其废气净化 。目前承 担的科研项 目有国家“973”重点基础研究规划项 目、自然科学 基金、教育部基金等课题。 基金项目：国家 自然科学基金项 目(编号 50376045)。 维普资讯 http://www.cqvip.com 第 9期 姚春德等．生物基汽油添加剂组分对汽油机油耗的影响 55 表 1 试验发动机主要技术参数 项 H 数 据 发动机型 号 燃烧室形式 发动机型式 缸径×冲程／ram 压缩 比 丰 田 4A—FE 棚顶 型 直列、化油器式 81．0× 77 9．8 德国申克公司生产。 3．2 试验方 法 试验采用发动机负荷特性对 比试验的方法 ，即 添加物的负荷特性与不添加任何添加物的商品 93 号汽油为基准(简称原机)负荷特性进行对 比。根 据所用发动机整车行驶情况的特点，选择了常用的 转速(2 000 r／rain)进行比较。通过添加不同的比 例来研究该添加剂的原液以及增溶剂的作用 。添 加剂原液的添加体积 比为：0．2 ，0．4 ，0．6 ； 增溶剂的添加体积比为：1．2 ，2．4 ，3．6 ；改性 添加剂的添加体积 比为：1．4 ，2．8 ，4．2 。按 照发动机的负荷特性从 2O N·m 到最大负荷，每 隔 15 N·ITI选取一个点，为了保证对 比的一致性 ， 试验中对负荷点的控制尽可能与燃用商品油的原 机的基准负荷点重合，另外，为了使添加剂原液能 够与汽油很好地相溶，试验选择 了气温较高 的季 节 。 4 试验结果与讨论 为了客观评价生物基汽油添加剂对燃油经济 性的影响，考虑到添加剂作用效果的体现，本文没 有使用普通发动机负荷特性曲线对 比的数据处理 方法(因为曲线坐标分辨率的限制，无法清晰地看 到比油耗的变化)，而是使用了平均 比油耗变化率 和最大比油耗变化率进行比较。前者是指整个负 荷特性的典型工况点加入添加剂前后 的比油耗值 进行累积求和的比较 ；后者指整个负荷特性典型工 况点加入添加剂前后的比油耗值比较 的改善的最 大值。 4．1 添加剂原液比例对发动机燃油经济性的影响 在 2 000 r／min负荷特性下，添加剂原液 比例 对发动机燃油经济性 的影响见图 1。图中的横坐 标为发动机的扭矩数 ，纵坐标为发动机比油耗变化 率，负值表示在燃用加剂油后 比燃油消耗率降低 ， 正值则为增加。 从图 1可见，添加剂原液具有对发动机燃油经 济性的改善作用 。添加 比例较小(如 0．2 ，为原 液的推荐用量)，主要改善了发动机的中小负荷范 围；随着添加比例的增大，对发动机燃油经济性作 用的范围也随之增加 ，当添加 比例为 0．4％时，对 小负荷改善效果最大 ，达到近 8 ，但随着发动机 负荷增加，改善效果逐渐减小；当原液添加 比例进 一 步增大达到 0．6 时，对发动机经济性改善效果 表现出在大小负荷两端效果突出，而中间负荷却少 有效果。因此 ，添加 剂 原液 的最 优添 加 比例 为 0．2 ～O．6 。较小的添加比例，对发动机的中小 负荷区的燃油经济性改善 的幅度要大些。由此可 见 ，0．4 的添加 比例对燃用国产汽油 ，更有利于兼 顾发动机燃油经济性。 枣 t * uu * 跫 兰 图 1 添加剂原液比例对比油耗变化率的影响 ◆一0．2％；■一0．4 ；▲一0．6 由上述试验结果可以看 出，该添加 剂的特点 是 ：加入添加剂原液后，发动机的小负荷和大负荷 两端的燃油经济性得到改善程度要高于中间负荷 区域 。究其原因可能是 ，中等负荷是发动机经济运 行区，此时发动机工作在稀燃或理论当量 比状态， 燃料的质量燃烧率本来就很高，所以即使有了添加 剂也难以再进一步提高其燃烧品质 在大、小负荷 两端，发动机工作在浓混合气区，添加剂发挥了作 用使燃油经济性得到改善。据此可以推断 ：该生物 基添加剂可能属于含氧物质并具有某些可以促进 燃烧的成分 ，加快 了浓混合气的燃烧速度，改善 了 燃烧品质。但是，添加剂的作用是否仅仅局限在其 含氧的原因上 ，还需要进一步的试验验证。 4．2 增溶剂添加比例对发动机经济性的影响 增溶剂添加 比例对发动机燃油经济性 的影响 见图 2。由图 2可见，在 2 000 r／min负荷特性下 ， 仅在高负荷区对发动机的燃油经济性尚有一定效 果 ，其它负荷内均呈现燃油经济性恶化的趋势。究 其原因可能是：增溶剂为含氧的醇基物质 ，热值较 汽油低 。将其加入到汽油 中，由于含氧和高汽化潜 热 ，在高负荷的浓混合气区对燃烧有一定改善 ，但 到中等负荷时，则因本来就较稀的混合气浓度燃烧 速度下降，同时汽化潜热的吸热作用，造成小负荷 维普资讯 http://www.cqvip.com 56 石 油 炼 制 与 化 工 2004年 第 35卷 的浓混合气区燃烧品质受到影Ⅱ向，致使燃油经济性 降低 。由于车用汽油对这种成分的醇基增溶剂的 敏感性，以至于如此小的添加比例就对发动机的燃 油经济性有了较大影响，可见增溶剂中的醇系结构 物质对此有一定影响。 此外 ，从试验结果看，车用汽油添加一定比例 的醇基增溶剂对改善发动机大负荷时燃油经济性 还是有些效果的，但添加 比例不宜过大，否则会过 多牺牲 中小 负荷的燃 油经济性。添加 比例 宜在 1．2 ～3．6 之 间。 ● 释 母 图 2 增溶剂添加 比例对 比油耗变化率的影响 ◆一 1．20 ；■一 2、40 ；▲ 一3．60 4．3 改性添加剂添加比例对发动机燃油经济性的 影响 图 3为汽油中加入改性添加剂对发动机燃油 经济性影响的试验结果 。由图 3可见，发动机使用 加入改性添加剂的汽油，燃油经济性可以得到较大 幅度的改善，尤其是添加比例为 2．8 的情况下， 发动机燃油经济性在全负荷范围内都得到改善 ；添 加比例为 1．4 时，最大改善幅度近 4 ，但所得结 果较不稳定 ，尤其是在高负荷条件下 ，其 中的原因 有待进一步研究。 ● 褂 犍 景 图 3 改性 添加 剂 添加 比例 对 比油耗 变 化率 的影 响 ▲一 1．4 ；一-- 2．8 ；●-- 4．2 为了进一步了解添加增溶剂的影响，将添加剂 的原液与仅 加入 增溶剂 的汽油混合 油，在 2 000 r／min负荷特性下，影响发动机燃油经济性的效果 进行了对比，结果见图 4。由图 4可见，发动机燃 用加入添加剂原液和仅加入增溶剂的汽油混合油 ， 对发动机燃油经济性影响的差别十分显著，当添加 比例为 2．8 时，两者的差别达到 1O 。该差别幅 度之大更进一步，添加剂对提高发动机燃烧效 率具有很强的作用 。其原因正是 由于以醇基含氧 物质为主的增溶剂，降低 了燃油的热值从而影响了 发动机燃油经济性 。可以看出，醇基增溶剂虽然能 够增加原液与汽油的相溶性 ，但是同时其低热值成 分也增加了油耗 ；改性添加剂受前两者的共 同影 Ⅱ向，添加比例作用窗口受到了醇基增溶剂的制约。 所以，当汽油加入改性添加剂后 ，对发动机燃油经 济性的改善幅度相比于原液有所降低。由此推论， 如将生物基添加剂加入到乙醇汽油中，可能会对改 善乙醇汽油发动机燃料经济性发挥一定作用，同时 由于乙醇、添加剂原液的相互作用，将会存在一个 最优的添加比例 ，能兼顾发动机在各个工况下的燃 油经济性。 ● 静 拦 忸 扭 矩 ／N·m 图 4 不同比例的原液对增溶剂与汽油混合油 的比油耗变化率的影响 ▲一1．4 ；■--2．8 ；●--4．2 5 结 论 (1)生物基汽油添加剂原液对发动机燃油经 济性具有一定的改善效果。添加剂原液的最优添 加比例为 0．2 ～O．6 ，在这个 比例下 ，发动机的 大、小负荷区的燃油经济性得到兼顾。 (2)醇基增溶剂，由于其热值低 ，将其单独加 入到汽油中对发动机经济性基本没有改善作用。 对醇系增溶剂的选择应该遵循在优化 比例下与添 加剂原液的最优添加比例相结合的原则。 (3)试验结果表明，添加剂原液在中、小负荷 具有很好的节油作用，达到了 8 左右。但是使用 改性添加剂时，这部分负荷的节油作用有所下降 ， 表明改性添加剂 的作用效果是原液与增溶剂的复 合效果，即体现了原液的节油效果，同时也包含 了 低热值的醇基增溶剂的抑制作用。 维普资讯 http://www.cqvip.com 第 9期 姚春德等．生物基汽油添加剂组分对汽油机油耗的影响 57 参 考 文 献 1 黄震 ，乔信起 ，吕兴才等．燃料设计与柴油机燃烧与排放控制 内燃机高新技术发展研讨会论文集．2003：7～14 2 姚春德，卢艳彬 ，刘增勇等． 生物基汽油添加剂对发动机性 能影响的研究．内燃机学报，2003，21(6)：415～418 3 冀星，郗小林．我国生物柴油产业发展展 望．中国能源，2002， 4：24～28 4 吕维忠，曹佐英．棕榈油的综合开发与利用．韶关大学报 (自然 科学版)，1994，15(4)：59～64 5 姚春德，卢艳彬，刘增勇等．生物基汽油添加剂对我国燃油的适 应性．石油炼制与化工，2004，35(8)：64～66 EFFECT oF BIo—ADDITIVE CoM PoNENT FoR GASoLINE oN ENGINE FUEL CoNSUM PTIoN Yao Chunde，I u Yanbin，Li Yunqiang，Wang Yanxia (The State Key Laboratory of Engine Combustion，Tianjin University Tianjin 300072) Abstract The effect of the gasoline with solubilizer modified bio—additive component and its adding amount on the engine fuel economy were investigated through bench test． Although the solubilizer could increase the solubility of the original bio-additive in gasoline at low temperature，but the solubilizer itself basically could not improve the engine fuel economy．The original bio—additive could significantly improved the engine fuel economy as high as around 8 ，however，for achieving better comprehensive performance of the engine，there existed an optimum volumetric proportion of additive in gasoline． Key Words：gasoline stock；modification；additive；gasoline engine；fuel；consumption l国外动态l 经催化处理的低硫汽油 可望用作燃料 电池氢源 燃料电池用氢气除要低含 CO外，还必须从低含硫的 原料中制取，因为硫会毒害现有燃料电池系统所用催化剂。 虽然某些来源的烃类含硫低，如处理过的天然气、甲醇、天 然气合成油(GTI )和二甲醚(DME)，但 日本国家先进工业 科学技术研究院(AIST)的研究人员认为，超低硫汽油 (ULSG)也可望成为较好 的氢源。 根据这一理念 ，AIST 的研究人员正在开发新 的加氢 处理催化剂 ，以用 于生产超低硫汽油 (ULSG)。这种催化 剂由钯一铂合金(Pd：Pt=4：1)的纳米颗粒组成，负载于不 稳定的 Y型分 子筛 上，并用镱 (Yb-USY分 子筛)使 之稳 定 。在实验室试验中，进料采用含硫为 60 gg／g的汽油，含 硫成分主要是噻吩(如苯并噻吩)和其它硫化物(如硫醇、硫 化物和二硫化物)。使用固定床加氢处理，操作条件为 280 ℃、液时空速 4～16。该催化剂的脱硫率为 98 ，可使硫含 量减少到 0．12,ug／g。最后再用吸附步骤使其硫含量减少 到约 20 ng／g，则可使该燃 料用作 燃料电池的氢源。脱 硫 反应要连续运转 75 h。 因为芳烃和烯烃在该反应中已基本 上被饱和，因此生 成的超低硫汽油(ULSG)不含硫醇 ，硫 醇通常 由 H s和烯 烃再组合才能生成。该催化剂也可用 于使柴油脱硫至低于 10 g／g，芳烃含量小于 5 。 [丰洋摘译 自 ChemicalEngineering，2004，110(2)：173 维普资讯 http://www.cqvip.com