豐田開(kāi)發(fā)汽油分餾系統(tǒng) 提升燃效10%

?？松梨?、康寧、豐田三方聯(lián)手開(kāi)發(fā)了車(chē)載汽油分離系統(tǒng)OBS（onboard separation system），用于提升汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性能和動(dòng)力表現(xiàn)。分離系統(tǒng)基于膜技術(shù)，將汽油分離為高辛烷值和第辛烷值的兩部分，將單一燃料分為兩份，需搭配雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)，再根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)工況需求，燃燒相適應(yīng)的汽油組分。研究人員說(shuō)，裝備該系統(tǒng)后，用戶(hù)只需加注較低標(biāo)號(hào)汽油，就能得到高標(biāo)號(hào)汽油的性能。

研究人員還在論文中指出，OBS分離系統(tǒng)的一種應(yīng)用模式是幫助發(fā)動(dòng)機(jī)在性能不變的前提下，實(shí)現(xiàn)小型化，最多降低油耗10%。另一種應(yīng)用模式是搭配渦輪增壓技術(shù)，增大功率并增強(qiáng)發(fā)動(dòng)機(jī)抗爆震性能。

該系統(tǒng)采用高分子膜片，分離汽油組分。膜的基體材料為高分子塑料和陶瓷的復(fù)合材料，可從辛烷值92號(hào)的汽油中分離出20%的辛烷值為100的汽油組分，并最大支持乙醇含量10%的乙醇汽油。該系統(tǒng)使用排氣廢熱供能，是一種簡(jiǎn)單、可靠的汽油分離設(shè)備，目前已經(jīng)在多款雙燃料汽車(chē)上成功試運(yùn)轉(zhuǎn)。

背景

在較早的關(guān)于燃料辛烷值和壓縮比的研究中，?？松梨诤拓S田公司使用2.0升、13：1高壓縮比、火花塞點(diǎn)燃、直噴發(fā)動(dòng)機(jī)。研究發(fā)現(xiàn)，在低負(fù)載、低轉(zhuǎn)速、分層燃燒的條件下，辛烷值較低、有機(jī)脂含量較高的汽油，如84號(hào)，可以帶來(lái)更高的效率和更低的碳?xì)渑欧牛ㄏ啾?2號(hào)高辛烷值汽油）。他們還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)汽油標(biāo)號(hào)較低時(shí)，會(huì)發(fā)生火花塞誘導(dǎo)壓燃SICI（spark induced compression ignition）的燃燒現(xiàn)象。

在全油門(mén)工況下，研究發(fā)現(xiàn)，較高標(biāo)號(hào)、含芳香族成分較多的汽油，如含60%甲苯、標(biāo)號(hào)103的汽油，相比標(biāo)號(hào)100的純異辛烷，可以提供更高的扭矩。

通過(guò)收集多個(gè)工況（分層稀燃工況、均質(zhì)理論空燃比工況）、多種汽油（辛烷值標(biāo)號(hào)84到103）的數(shù)據(jù)，研究人員制作出了“辛烷值需求MAP圖”，主要可概括為：

·低負(fù)載分層工況下，低辛烷值可提供更高的總效率

·中等負(fù)載、理論空燃比工況下，中等辛烷值的汽油可提供最大效率

·在較高負(fù)載、理論空燃比條件下，較高辛烷值可提供最高效率，同時(shí)高辛烷值也是預(yù)防發(fā)動(dòng)機(jī)在此條件下發(fā)生爆震的必要措施

將以上成果用于LA-4油耗測(cè)試城市駕駛循環(huán)中，他們發(fā)現(xiàn)，即便壓縮比高達(dá)13：1，要實(shí)現(xiàn)最佳燃油效率也僅需要稍高于96號(hào)的汽油。在絕大多數(shù)的駕駛循環(huán)中，稍低于92號(hào)的機(jī)油就可以提供最佳效率。結(jié)果還指出，在某些工況下，稍低于84號(hào)的汽油就可以提供令人接受的表現(xiàn)，但標(biāo)號(hào)更低后的表現(xiàn)如何尚不可知，因?yàn)榘？松梨诤拓S田公司的試驗(yàn)中，汽油標(biāo)號(hào)的下線(xiàn)就是84號(hào)。

在LA-4循環(huán)中全程使用最合適辛烷值的汽油，可以將燃油效率提升15.5%。其中，8.5%直接來(lái)自“選對(duì)了標(biāo)號(hào)”，7%來(lái)自選對(duì)標(biāo)號(hào)之后，發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩提升帶來(lái)的輕量化可能性。

研究者說(shuō)：“結(jié)果引人入勝，辛烷值需求MAP圖表明：對(duì)于大壓縮比發(fā)動(dòng)機(jī)，其油耗的80%都可以直接使用常規(guī)的92號(hào)汽油。在負(fù)載升高時(shí)，才需要使用另20%的高級(jí)汽油（標(biāo)號(hào)97或以上）。值得一提的是，對(duì)于高壓縮比發(fā)動(dòng)機(jī)，即便全程使用高級(jí)汽油，可不能保證發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)刻提供最理想扭矩，因?yàn)樾镣橹等圆粔蚋?。然而，通過(guò)濃縮汽油中辛烷值較高的組分（如芳香類(lèi)和乙醇），可以得到更高的辛烷值（大于100），帶來(lái)最理想的點(diǎn)火特性。我們的理論支持了雙燃料或多燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的研發(fā)?？紤]到在加油站加注多種燃料比較不方便，同時(shí)加油站可提供的燃料辛烷值有時(shí)候并不夠高的現(xiàn)實(shí)，我們認(rèn)為汽油分離是很有必要的。”

車(chē)載汽油分離系統(tǒng)OBS簡(jiǎn)介

芳香烴是汽油中辛烷值最高的組分，研究團(tuán)隊(duì)使用滲透蒸發(fā)（是選擇性滲透膜過(guò)程：將雙組分或多組分混合物通過(guò)部分蒸發(fā)，使得部分組分穿過(guò)致密無(wú)孔膜）的手段將汽油分為高低辛烷值的兩部分。

OBS系統(tǒng)分為膜部件、熱管道（將排氣廢熱傳遞給熱交換器）、熱交換器（同時(shí)也是汽油冷卻器）、改進(jìn)的燃油箱和雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)。

研究人員試驗(yàn)了多種高分子膜配方，最終確定了交叉紋路、聚酯-胺/樹(shù)脂的高分子配方。它性能穩(wěn)定，還能抵御汽油中的乙醇?；w結(jié)構(gòu)類(lèi)似三元催化器的蜂窩狀。

在滲透蒸發(fā)過(guò)程中，高辛烷值芳香烴和乙醇被優(yōu)先吸收到高分子膜上。膜的另一側(cè)產(chǎn)生真空，將高濃度的芳香烴和乙醇以氣態(tài)形式帶到膜的另一邊，降溫凝結(jié)，儲(chǔ)存?zhèn)溆谩?/P>

雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)為豐田D-4S 1AZ-FSE 2升發(fā)動(dòng)機(jī)，具有9.8-13.1：1的可變壓縮比。直噴系統(tǒng)為配合低辛烷值汽油而得到保留，為了配合高辛烷值的組分，它又加入了進(jìn)氣道噴射裝置。原裝的活塞被淺凹坑活塞取代，以降低碳?xì)渑欧?，可變氣門(mén)正時(shí)沒(méi)有出現(xiàn)。

滲透蒸發(fā)過(guò)程中，汽油流量為每秒0.5到3克（一般為每秒1克），所需蒸發(fā)溫度為140-160攝氏度，壓力400千帕（同油軌壓力基本相同）。最終的蒸汽-液體混合物會(huì)被膜片分離為高低辛烷值兩部分。低標(biāo)號(hào)組分供給直噴系統(tǒng)，多余的低標(biāo)號(hào)組分流回油箱。高標(biāo)號(hào)組分則儲(chǔ)存在2到4升的高標(biāo)號(hào)油箱中（位于主油箱內(nèi)部）。它們共享一套燃油蒸汽管理系統(tǒng)。

研究小組的豐田RAV-4隨著研究的發(fā)展，其OBS系統(tǒng)的尺寸逐漸減小，復(fù)雜程度也逐漸降低。

在最近的測(cè)試中，他們還改裝了一臺(tái)豐田凱美瑞，和2.4升雙燃料理論空燃比發(fā)動(dòng)機(jī)搭配工作的OBS系統(tǒng)全部位于地板下面（包括高分子陶瓷材料的復(fù)合膜片、熱管道、燃料冷卻器等）。

試驗(yàn)臺(tái)和實(shí)車(chē)測(cè)試表明：裝備OBS后，車(chē)輛燃油效率提升5%，扭矩提升8-10%。如果保持原有性能不變，燃油效率可提升8%。

延伸問(wèn)題

·各地燃料的具體成分不同，分離出的雙燃料的辛烷值并不穩(wěn)定

·負(fù)載過(guò)高時(shí)，高標(biāo)號(hào)組分的供給量不足

·美國(guó)市場(chǎng)的乙醇汽油更利于OBS的運(yùn)轉(zhuǎn)（E10乙醇汽油含10%乙醇，OBS可轉(zhuǎn)化出35%的102號(hào)汽油；另外乙醇的冷卻效果可抵抗爆震，提升了渦輪增壓器的增壓極限，從而提升了效率）

·OBS也可用于“flex fuel”靈活燃料車(chē)型

·低標(biāo)號(hào)組分的揮發(fā)性更高，可降低發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)的排放水平