燃用乙醇汽油發(fā)動機(jī)空燃比控制研究

崔淑華　劉功興

摘要：基于乙醇汽油和汽油的空燃比的差異以及對發(fā)動機(jī)性能的影響，在不改變發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)的情況下，試驗(yàn)研究發(fā)動機(jī)燃用93號E10和93號汽油的基本性能。從試驗(yàn)可以得出發(fā)動機(jī)燃用乙醇汽油與汽油的動力性、經(jīng)濟(jì)性及排放特性對比。在中、低轉(zhuǎn)速動力性下降，在較高轉(zhuǎn)速動力性相當(dāng)；燃油經(jīng)濟(jì)性在低、中負(fù)荷略有下降，在高負(fù)荷略好于汽油；在怠速工況下，乙醇汽油會降低汽油機(jī)的CO、HC和NOx的排放。針對燃料空燃比對發(fā)動機(jī)的性能影響，對發(fā)動機(jī)燃用乙醇汽油的空燃比的控制進(jìn)行研究。對發(fā)動機(jī)的噴油器噴孔直徑、噴油脈寬及噴油量的定量修正，為發(fā)動機(jī)燃用乙醇汽油的空燃比控制提供參考。

關(guān)鍵詞：乙醇汽油；發(fā)動機(jī)性能；空燃比；控制

中圖分類號：S 782.51文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1001-005X（2015）01-0075-03

Research on Airfuel Ratio Control of the Engine Burning Ethanolgasoline

Cui Shuhua，Liu Gongxing

（Traffic College，Northeast Forestry University，Harbin 150040）

Abstract：Based on the airfuel ratio difference between ethanol gasoline and gasoline and the influence on engine performance，without changing the structure parameters of the engine，the basic performance of engine burning ethanolgasoline（E10）and gasoline was analyzed.The power performance，economy，and emission characters of the engine buring the two fuels were obtained.At the medium or lower RPM，the power performance decreased and at the higher RPM the power performance was almost the same.The economy of ethanolgasoline at lower and medium load decreased slightly，but was better than gasoline at higher load.While idling，the emissions of CO，HC and NOx by buring ethanolgasoline were lower than that buring gasoline.According to the influence of airfuel ratio on the performance of engine，the airfuel ratio control for the engine burning ethanolgasoline was studied.The quantificational modification method on the diameter of injectors nozzle bore and injection pulse width of engine was discussed，which provides reference to airfuel ratio control method of the engine burning ethanolgasoline.

Keywords： ethanolgasoline；engine performance；airfuel ratio；control

收稿日期：2014-08-01

基金項(xiàng)目：黑龍江省交通運(yùn)輸廳科技項(xiàng)目（黑龍江省道路運(yùn)輸業(yè)節(jié)能減排評價(jià)方法研究）

第一作者簡介：崔淑華，碩士，教授。研究方向：汽車節(jié)能減排技術(shù)。Email：616960166@qq.com

引文格式：崔淑華，劉功興.燃用乙醇汽油發(fā)動機(jī)空燃比控制研究[J].森林工程，2015，31（1）：75-77.由于石油短缺和汽車尾氣排放對大氣環(huán)境污染的日益嚴(yán)重，開發(fā)低污染代用燃料 已引起各國研究者的重視。乙醇因其理化性質(zhì)接近汽油且辛烷值高、毒性小，與汽油混合后可作為車用燃料，對乙醇汽油進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究[1-8]。Stump等人在某輕型客車上對乙醇汽油的燃用效果進(jìn)行了試驗(yàn)，結(jié)果顯示，發(fā)動機(jī)排氣中HC和CO的排放均有較大幅度的下降[9]。近年一系列的國內(nèi)外的相關(guān)研究表明，車輛在結(jié)構(gòu)和控制不改變的情況下，可使用小比例乙醇汽油混合燃料。目前國內(nèi)部分省份推廣使用的是變性燃料乙醇和汽油按照體積比例調(diào)配后形成的乙醇含量為10%的E10乙醇汽油混合燃料。乙醇汽油在理論空燃比等指標(biāo)與汽油存在一定的差異，本文針對發(fā)動機(jī)燃用乙醇汽油的空燃比控制方法進(jìn)行探討。

1發(fā)動機(jī)性能對比試驗(yàn)

在1.6 L排量的電控燃油噴射發(fā)動機(jī)上，進(jìn)行燃用93號E10和93號汽油的性能對比試驗(yàn)。試驗(yàn)內(nèi)容包括全負(fù)荷速度特性試驗(yàn)和負(fù)荷特性試驗(yàn)、發(fā)動機(jī)怠速運(yùn)轉(zhuǎn)的排氣污染物試驗(yàn)。全負(fù)荷速度特性對比試驗(yàn)結(jié)果如圖1和圖2所示；發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為3 000 r/min的負(fù)荷特性對比試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示；發(fā)動機(jī)怠速運(yùn)轉(zhuǎn)的排氣污染物試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

2試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1發(fā)動機(jī)的動力性對比分析

從圖1和圖2可知，在較低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，發(fā)動機(jī)燃用93號E10時的功率和扭矩小于燃用93號汽油時的功率和扭矩；隨著轉(zhuǎn)速的升高，二者逐漸接近，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到約4500r/min時，發(fā)動機(jī)燃用93號E10時的功率和扭矩呈現(xiàn)略高于燃用93號汽油時的功率和扭矩的趨勢。由于乙醇和汽油的理化特性不同[10]，汽油理論混合氣熱值為3.81MJ/m3，乙醇理論混合氣熱值為3.86MJ/m3。汽油的理論化學(xué)計(jì)量空燃比為14.8，經(jīng)計(jì)算E10的理論化學(xué)計(jì)量空燃比為14.12。當(dāng)發(fā)動機(jī)電控噴油系統(tǒng)按照空燃比為14.8進(jìn)行供油時，該空燃比下的E10混合氣熱值是汽油的99.45%。即理論上燃用E10的動力性會下降0.55%。當(dāng)發(fā)動機(jī)在全負(fù)荷工況、開環(huán)控制時，ECU按燃用汽油的空燃比參數(shù)進(jìn)行控制，在噴油量相等的情況下，乙醇汽油的混合氣較稀，因此發(fā)動機(jī)的扭矩和功率輸出較低；但是隨著發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的升高和燃油噴射量的增大，混合氣的濃度反而接近乙醇汽油的理論空燃比，同時乙醇的汽化潛熱較大，提高了發(fā)動機(jī)的充氣效率，醇的含氧特性使得混合燃料的燃燒更充分，使得發(fā)動機(jī)的扭矩和功率有所提高。

圖1速度特性Ttq對比曲線

Fig.1 Comparison curve of velocity characteristic Ttq

圖2速度特性Pe對比曲線

Fig.2 Comparison curve of velocity characteristic Pe第1期崔淑華等：燃用乙醇汽油發(fā)動機(jī)空燃比控制研究

森林工程第31卷

2.2發(fā)動機(jī)的經(jīng)濟(jì)性對比分析

衡量發(fā)動機(jī)經(jīng)濟(jì)性能的重要指標(biāo)是有效熱效率ηet和有效燃油消耗率be[11]。

（1）有效熱效率。有效熱效率ηet的表達(dá)式為：

ηet=3.6×106beHu。（1）

式中：Hu為燃料低熱值，MJ/kg；be為有效燃油消耗率，g/kW·h；

應(yīng)用公式（1）計(jì)算兩種燃料的有效熱效率。從發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速為3000 r/min的負(fù)荷特性對比曲線圖3可知，在較低負(fù)荷范圍內(nèi)，發(fā)動機(jī)燃用93號E10時的有效燃油消耗率高于燃用93號汽油時的有效燃油消耗率；隨著負(fù)荷的升高，二者逐漸接近，當(dāng)負(fù)荷達(dá)到約70 N·m時，發(fā)動機(jī)燃用93號E10時的有效燃油消耗率略低于燃用93號汽油時的有效燃油消耗率。在較低負(fù)荷范圍內(nèi)，發(fā)動機(jī)燃用93號E10有效熱效率與93號汽油有效熱效率基本趨于一致；隨著負(fù)荷的增加，發(fā)動機(jī)燃用93號E10有效熱效率高于燃用93號汽油的有效熱效率。

圖3負(fù)荷特性be和ηet對比曲線

Fig.3 Comparison curve of load characteristics be and ηet

乙醇汽油的理論空燃比小于汽油，在噴油量相同情況下，乙醇汽油的處于較稀混合氣狀態(tài)，發(fā)動機(jī)的扭矩和功率略有下降；但是隨著發(fā)動機(jī)負(fù)荷的升高和燃油噴射量的增大，混合氣的濃度反而接近乙醇汽油的理論空燃比，同時乙醇的汽化潛熱較大，提高了發(fā)動機(jī)的充氣效率，醇的含氧特性使得混合燃料的燃燒更充分，使得發(fā)動機(jī)有效熱效率提高。

2.3發(fā)動機(jī)怠速排放對比分析

如圖4所示為發(fā)動機(jī)在怠速工況下，燃燒93號E10和93號汽油排放污染物對比結(jié)果，圖4中以93號汽油的污染物排放量為100%，發(fā)動機(jī)燃用93號E10時的污染物排放量為其實(shí)際排放值與發(fā)動機(jī)燃用93號汽油時的比值。怠速運(yùn)轉(zhuǎn)條件下，發(fā)動機(jī)燃用93號E10的污染物CO、HC和NOx的濃度減少。

圖4怠速排放對比圖

Fig.4 Comparison chart of idle emission

發(fā)動機(jī)在怠速工況下，由于E10含氧量高，有利于燃料的充分燃燒，使得CO和HC排放明顯降低。因?yàn)镋10的汽化潛熱大，進(jìn)氣溫度的降低使燃燒溫度降低，所以NOX排放降低。

3空燃比的控制

進(jìn)氣歧管的動態(tài)特性、噴油器的流量特性以及電子控制系統(tǒng)的控制方式都是決定發(fā)動機(jī)空燃比的關(guān)鍵因素[12]。

3.1影響噴油量因素分析

噴油器的噴油量表達(dá)式（2）為：

Q=μAi2ρ×（pf-pi）×T。（2）

式中：Q為噴油器的噴油量，kg；μ為噴油孔的流量系數(shù)；Ai為噴油器噴孔面積，m2；ρ為燃油密度，kg/m3；Pf為燃油總管油壓，MPa；Pi為進(jìn)氣支管壓力，MPa；T為噴油脈寬，ms。

由公式（2）可知，噴油器的噴油量主要由噴油器的噴孔面積、燃油密度、燃油總管油壓與進(jìn)氣支管的壓力差和噴油脈寬決定。

3.2乙醇汽油噴油量的修正

由公式（2）分析可知，為修正噴射量，可對噴油脈寬和噴油器噴油孔面積進(jìn)行修正。

（1）噴油脈寬的修正。汽油發(fā)動機(jī)的空燃比為14.8，為使發(fā)動機(jī)燃用93號E10的空燃比為14.12，應(yīng)增加乙醇汽油的噴油量?？杖急?4.8的噴油量為Q1，空燃比14.12的噴油量為Q2。則由公式（2）可得：

Q1=μAi2ρe×（pf-pi）×T1。（3）

Q2=μAi2ρe×（pf-pi）×T2。（4）

在噴油壓力和噴油孔面積一定的條件下，由公式（3）、（4）可得：

T2=Q2Q1T1。（5）

因?yàn)檫M(jìn)氣質(zhì)量不變，可以根據(jù)空燃比計(jì)算噴油量Q2與Q1的比值，在已知空燃比為14.8的噴油脈寬T1的基礎(chǔ)上，通過公式（5）可求得93號E10的噴射脈寬T2。

（2）噴孔直徑的修正。兩種燃料的混合氣熱值不同，為保證發(fā)動機(jī)的動力性不降低，需使兩種燃料的混合氣燃燒放出的熱量相等?？梢酝ㄟ^增加93號E10的供油量來提高混合氣放出的熱量。在噴油脈寬一定的條件下，可對噴油器噴油孔面積相應(yīng)值進(jìn)行修正。

Ge×He=Gp×Hp。（6）

G=Ai×v×ρ。（7）

Ai=πD24。（8）

將公式（7）、（8）帶入公式（6）計(jì)算得到：

DeDq=Hq×vq×ρqHe×ve×ρe（9）

式中：G為燃料的質(zhì)量流量，kg/s；H為混合氣的低熱值，MJ/kg；Ai為噴油器噴孔面積，m2；v為燃料流經(jīng)噴孔的流速，m/s；ρ為燃料的密度，kg/m3；D為噴油器噴孔直徑，m（注：下標(biāo)e表示93號E10；q表示93號汽油）。

利用公式（9），在噴油孔燃料流速可測或已知噴油器噴孔面積和燃料流速關(guān)系前提下，可求得噴孔直徑修正值。

4結(jié)論

基于乙醇汽油與汽油的空燃比的差異及其對發(fā)動機(jī)性能的影響，分析了發(fā)動機(jī)不改變結(jié)構(gòu)參數(shù)的情況下，燃用93號E10和93號汽油的基本性能。發(fā)動機(jī)燃用乙醇汽油在中、低轉(zhuǎn)速時，動力性下降，在較高轉(zhuǎn)速時，動力性相當(dāng)；燃油經(jīng)濟(jì)性在低、中負(fù)荷略有下降，在高負(fù)荷略好于汽油；發(fā)動機(jī)怠速工況下的排氣污染物減少。針對燃料空燃比對發(fā)動機(jī)的性能的影響，對發(fā)動機(jī)燃用乙醇汽油的空燃比的控制進(jìn)行了研究，對發(fā)動機(jī)的噴油器噴孔直徑、噴油脈寬和噴油量進(jìn)行定量修正，為發(fā)動機(jī)

燃用乙醇汽油的空燃比控制提供了參考。

【參考文獻(xiàn)】

[1]許滄栗.汽油機(jī)燃用乙醇和汽油混合燃料的試驗(yàn)研究[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2004，24（4）：734-738.

[2]崔淑華，牛鑫淼.發(fā)動機(jī)燃燒乙醇汽油的排氣溫度試驗(yàn)與分析[J].森林工程，2013，29（2）：115-116.

[3]AIHasan M.Effect of ethanolunleaded gasoline blends on engine performance and exhaust emission[J].Energy Conversion and Management，2003，44（9）：1547-1561.

[4]崔淑華，宋寰宇.基于排氣溫度的汽油車排氣管滴水現(xiàn)象分析[J].森林工程，2014，30（3）：71-73.

[5]何邦全，王建昕，郝吉明，等.乙醇—汽油燃料電噴汽油機(jī)的排放及催化性能[J].內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)，2002，20（6）：529-533.

[6]Yukesl F，Yukesl B.The use of ethanolgasoline blend as a fuel in an SI engine[J].Renewable Energy，2004，29（7）：1181-1191.

[7]Poulopoulos S G，Samaras D P，Philippopoulos C J.Unregulated emissions from an internal combustion engine operating on ethanolcontaining fuels[J].Atmospheric Environment，2001，35（26）：4399-4406.

[8]Hsieh W，Chen R，Wu T，et al.Engine performance and pollutant emission of an SI engine using ethanolgasoline blend fuels[J].Atmospheric Environment，2002，36（3）：403-410.

[9]Stump F D，Knapp K T，Ray W D.Influence of ethanolblended fuels on the emissions from three pre-1985 lightduty passenger vehicles[J].Journal of the Air and Waste Management Association，1996，46（12）：1149-1161.

[10]李向榮，魏镕，孫柏剛，等.內(nèi)燃機(jī)燃燒與科學(xué)技術(shù)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2012：476-477.

[11]吳建華，常綠，韓同群，等.汽車發(fā)動機(jī)原理[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010：16-17.

[12]樊亞妮.發(fā)動機(jī)燃用乙醇汽油的空燃比特性研究[D].哈爾濱：東北林業(yè)大學(xué)，2012.

[責(zé)任編輯：董希斌]