丰田开发汽油分馏系统 提升燃效10%

埃克森美孚、康宁、丰田三方联手开发了车载汽油分离系统OBS（onboard separation system），用于提升汽油发动机的经济性能和动力表现。分离系统基于膜技术，将汽油分离为高辛烷值和第辛烷值的两部分，将单一燃料分为两份，需搭配双燃料发动机，再根据发动机工况需求，燃烧相适应的汽油组分。研究人员说，装备该系统后，用户只需加注较低标号汽油，就能得到高标号汽油的性能。

研究人员还在论文中指出，OBS分离系统的一种应用模式是帮助发动机在性能不变的前提下，实现小型化，最多降低油耗10%。另一种应用模式是搭配涡轮增压技术，增大功率并增强发动机抗爆震性能。

该系统采用高分子膜片，分离汽油组分。膜的基体材料为高分子塑料和陶瓷的复合材料，可从辛烷值92号的汽油中分离出20%的辛烷值为100的汽油组分，并最大支持乙醇含量10%的乙醇汽油。该系统使用排气废热供能，是一种简单、可靠的汽油分离设备，目前已经在多款双燃料汽车上成功试运转。

背景

在较早的关于燃料辛烷值和压缩比的研究中，埃克森美孚和丰田公司使用2.0升、13：1高压缩比、火花塞点燃、直喷发动机。研究发现，在低负载、低转速、分层燃烧的条件下，辛烷值较低、有机脂含量较高的汽油，如84号，可以带来更高的效率和更低的碳氢排放（相比92号高辛烷值汽油）。他们还发现，当汽油标号较低时，会发生火花塞诱导压燃SICI（spark induced compression ignition）的燃烧现象。

在全油门工况下，研究发现，较高标号、含芳香族成分较多的汽油，如含60%甲苯、标号103的汽油，相比标号100的纯异辛烷，可以提供更高的扭矩。

通过收集多个工况（分层稀燃工况、均质理论空燃比工况）、多种汽油（辛烷值标号84到103）的数据，研究人员制作出了“辛烷值需求MAP图”，主要可概括为：

·低负载分层工况下，低辛烷值可提供更高的总效率

·中等负载、理论空燃比工况下，中等辛烷值的汽油可提供最大效率

·在较高负载、理论空燃比条件下，较高辛烷值可提供最高效率，同时高辛烷值也是预防发动机在此条件下发生爆震的必要措施

将以上成果用于LA-4油耗测试城市驾驶循环中，他们发现，即便压缩比高达13：1，要实现最佳燃油效率也仅需要稍高于96号的汽油。在绝大多数的驾驶循环中，稍低于92号的机油就可以提供最佳效率。结果还指出，在某些工况下，稍低于84号的汽油就可以提供令人接受的表现，但标号更低后的表现如何尚不可知，因为埃克森美孚和丰田公司的试验中，汽油标号的下线就是84号。

在LA-4循环中全程使用最合适辛烷值的汽油，可以将燃油效率提升15.5%。其中，8.5%直接来自“选对了标号”，7%来自选对标号之后，发动机扭矩提升带来的轻量化可能性。

研究者说：“结果引人入胜，辛烷值需求MAP图表明：对于大压缩比发动机，其油耗的80%都可以直接使用常规的92号汽油。在负载升高时，才需要使用另20%的高级汽油（标号97或以上）。值得一提的是，对于高压缩比发动机，即便全程使用高级汽油，可不能保证发动机时刻提供最理想扭矩，因为辛烷值仍不够高。然而，通过浓缩汽油中辛烷值较高的组分（如芳香类和乙醇），可以得到更高的辛烷值（大于100），带来最理想的点火特性。我们的理论支持了双燃料或多燃料发动机的研发。考虑到在加油站加注多种燃料比较不方便，同时加油站可提供的燃料辛烷值有时候并不够高的现实，我们认为汽油分离是很有必要的。”

车载汽油分离系统OBS简介

芳香烃是汽油中辛烷值最高的组分，研究团队使用渗透蒸发（是选择性渗透膜过程：将双组分或多组分混合物通过部分蒸发，使得部分组分穿过致密无孔膜）的手段将汽油分为高低辛烷值的两部分。

OBS系统分为膜部件、热管道（将排气废热传递给热交换器）、热交换器（同时也是汽油冷却器）、改进的燃油箱和双燃料发动机。

研究人员试验了多种高分子膜配方，最终确定了交叉纹路、聚酯-胺/树脂的高分子配方。它性能稳定，还能抵御汽油中的乙醇。基体结构类似三元催化器的蜂窝状。

在渗透蒸发过程中，高辛烷值芳香烃和乙醇被优先吸收到高分子膜上。膜的另一侧产生真空，将高浓度的芳香烃和乙醇以气态形式带到膜的另一边，降温凝结，储存备用。

双燃料发动机为丰田D-4S 1AZ-FSE 2升发动机，具有9.8-13.1：1的可变压缩比。直喷系统为配合低辛烷值汽油而得到保留，为了配合高辛烷值的组分，它又加入了进气道喷射装置。原装的活塞被浅凹坑活塞取代，以降低碳氢排放，可变气门正时没有出现。

渗透蒸发过程中，汽油流量为每秒0.5到3克（一般为每秒1克），所需蒸发温度为140-160摄氏度，压力400千帕（同油轨压力基本相同）。最终的蒸汽-液体混合物会被膜片分离为高低辛烷值两部分。低标号组分供给直喷系统，多余的低标号组分流回油箱。高标号组分则储存在2到4升的高标号油箱中（位于主油箱内部）。它们共享一套燃油蒸汽管理系统。

研究小组的丰田RAV-4随着研究的发展，其OBS系统的尺寸逐渐减小，复杂程度也逐渐降低。

在最近的测试中，他们还改装了一台丰田凯美瑞，和2.4升双燃料理论空燃比发动机搭配工作的OBS系统全部位于地板下面（包括高分子陶瓷材料的复合膜片、热管道、燃料冷却器等）。

试验台和实车测试表明：装备OBS后，车辆燃油效率提升5%，扭矩提升8-10%。如果保持原有性能不变，燃油效率可提升8%。

延伸问题

·各地燃料的具体成分不同，分离出的双燃料的辛烷值并不稳定

·负载过高时，高标号组分的供给量不足

·美国市场的乙醇汽油更利于OBS的运转（E10乙醇汽油含10%乙醇，OBS可转化出35%的102号汽油；另外乙醇的冷却效果可抵抗爆震，提升了涡轮增压器的增压极限，从而提升了效率）

·OBS也可用于“flex fuel”灵活燃料车型

·低标号组分的挥发性更高，可降低发动机启动时的排放水平