豐田開發汽油分餾系統 提升燃效10%

埃克森美孚、康寧、豐田三方聯手開發了車載汽油分離系統OBS（onboard separation system），用于提升汽油發動機的經濟性能和動力表現。分離系統基于膜技術，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，需搭配雙燃料發動機，再根據發動機工況需求，燃燒相適應的汽油組分。研究人員說，裝備該系統后，用戶只需加注較低標號汽油，就能得到高標號汽油的性能。

研究人員還在論文中指出，OBS分離系統的一種應用模式是幫助發動機在性能不變的前提下，實現小型化，最多降低油耗10%。另一種應用模式是搭配渦輪增壓技術，增大功率并增強發動機抗爆震性能。

該系統采用高分子膜片，分離汽油組分。膜的基體材料為高分子塑料和陶瓷的復合材料，可從辛烷值92號的汽油中分離出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。該系統使用排氣廢熱供能，是一種簡單、可靠的汽油分離設備，目前已經在多款雙燃料汽車上成功試運轉。

背景

在較早的關于燃料辛烷值和壓縮比的研究中，埃克森美孚和豐田公司使用2.0升、13：1高壓縮比、火花塞點燃、直噴發動機。研究發現，在低負載、低轉速、分層燃燒的條件下，辛烷值較低、有機脂含量較高的汽油，如84號，可以帶來更高的效率和更低的碳氫排放（相比92號高辛烷值汽油）。他們還發現，當汽油標號較低時，會發生火花塞誘導壓燃SICI（spark induced compression ignition）的燃燒現象。

在全油門工況下，研究發現，較高標號、含芳香族成分較多的汽油，如含60%甲苯、標號103的汽油，相比標號100的純異辛烷，可以提供更高的扭矩。

通過收集多個工況（分層稀燃工況、均質理論空燃比工況）、多種汽油（辛烷值標號84到103）的數據，研究人員制作出了“辛烷值需求MAP圖”，主要可概括為：

·低負載分層工況下，低辛烷值可提供更高的總效率

·中等負載、理論空燃比工況下，中等辛烷值的汽油可提供最大效率

·在較高負載、理論空燃比條件下，較高辛烷值可提供最高效率，同時高辛烷值也是預防發動機在此條件下發生爆震的必要措施

將以上成果用于LA-4油耗測試城市駕駛循環中，他們發現，即便壓縮比高達13：1，要實現最佳燃油效率也僅需要稍高于96號的汽油。在絕大多數的駕駛循環中，稍低于92號的機油就可以提供最佳效率。結果還指出，在某些工況下，稍低于84號的汽油就可以提供令人接受的表現，但標號更低后的表現如何尚不可知，因為埃克森美孚和豐田公司的試驗中，汽油標號的下線就是84號。

在LA-4循環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%直接來自“選對了標號”，7%來自選對標號之后，發動機扭矩提升帶來的輕量化可能性。

研究者說：“結果引人入勝，辛烷值需求MAP圖表明：對于大壓縮比發動機，其油耗的80%都可以直接使用常規的92號汽油。在負載升高時，才需要使用另20%的高級汽油（標號97或以上）。值得一提的是，對于高壓縮比發動機，即便全程使用高級汽油，可不能保證發動機時刻提供最理想扭矩，因為辛烷值仍不夠高。然而，通過濃縮汽油中辛烷值較高的組分（如芳香類和乙醇），可以得到更高的辛烷值（大于100），帶來最理想的點火特性。我們的理論支持了雙燃料或多燃料發動機的研發。考慮到在加油站加注多種燃料比較不方便，同時加油站可提供的燃料辛烷值有時候并不夠高的現實，我們認為汽油分離是很有必要的。”

車載汽油分離系統OBS簡介

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

OBS系統分為膜部件、熱管道（將排氣廢熱傳遞給熱交換器）、熱交換器（同時也是汽油冷卻器）、改進的燃油箱和雙燃料發動機。

研究人員試驗了多種高分子膜配方，最終確定了交叉紋路、聚酯-胺/樹脂的高分子配方。它性能穩定，還能抵御汽油中的乙醇。基體結構類似三元催化器的蜂窩狀。

在滲透蒸發過程中，高辛烷值芳香烴和乙醇被優先吸收到高分子膜上。膜的另一側產生真空，將高濃度的芳香烴和乙醇以氣態形式帶到膜的另一邊，降溫凝結，儲存備用。

雙燃料發動機為豐田D-4S 1AZ-FSE 2升發動機，具有9.8-13.1：1的可變壓縮比。直噴系統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，它又加入了進氣道噴射裝置。原裝的活塞被淺凹坑活塞取代，以降低碳氫排放，可變氣門正時沒有出現。

滲透蒸發過程中，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-液體混合物會被膜片分離為高低辛烷值兩部分。低標號組分供給直噴系統，多余的低標號組分流回油箱。高標號組分則儲存在2到4升的高標號油箱中（位于主油箱內部）。它們共享一套燃油蒸汽管理系統。

研究小組的豐田RAV-4隨著研究的發展，其OBS系統的尺寸逐漸減小，復雜程度也逐漸降低。

在最近的測試中，他們還改裝了一臺豐田凱美瑞，和2.4升雙燃料理論空燃比發動機搭配工作的OBS系統全部位于地板下面（包括高分子陶瓷材料的復合膜片、熱管道、燃料冷卻器等）。

試驗臺和實車測試表明：裝備OBS后，車輛燃油效率提升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定

·負載過高時，高標號組分的供給量不足

·美國市場的乙醇汽油更利于OBS的運轉（E10乙醇汽油含10%乙醇，OBS可轉化出35%的102號汽油；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”靈活燃料車型

·低標號組分的揮發性更高，可降低發動機啟動時的排放水平