乙醇汽油對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能和排氣噪聲影響的試驗(yàn)研究*

邱 森，黃 華，袁兆成，陳振斌,3，施兵峰

(1.吉林大學(xué)汽車(chē)工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130000； 2.同濟(jì)大學(xué)汽車(chē)學(xué)院，上海 201804； 3.海南大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，?？?570028；4.上海海洋大學(xué)工程學(xué)院，上海 201306)

2016086

乙醇汽油對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能和排氣噪聲影響的試驗(yàn)研究*

邱 森1，黃 華2，袁兆成1，陳振斌2,3，施兵峰4

(1.吉林大學(xué)汽車(chē)工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130000； 2.同濟(jì)大學(xué)汽車(chē)學(xué)院，上海 201804； 3.海南大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，海口 570028；4.上海海洋大學(xué)工程學(xué)院，上海 201306)

在電控汽油機(jī)參數(shù)未作任何調(diào)整，采用基于純汽油標(biāo)定的燃油控制策略的情況下，研究了某款車(chē)用汽油機(jī)燃用乙醇汽油(E10和E20)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)充氣效率、動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和排氣噪聲的影響。結(jié)果表明：燃用E20時(shí)充氣系數(shù)增加2%～6%；而燃用E10時(shí)，在低轉(zhuǎn)速時(shí)E10的充氣系數(shù)基本不變，高轉(zhuǎn)速時(shí)最大增幅2.1%；燃用E10的額定功率提升2.0%，而E20下降4.5%；E10和E20的當(dāng)量燃油消耗率下降2%～7%；在1 200～2 000r/min，E10和E20的排氣噪聲下降顯著，最大降幅達(dá)到11.2%，而2 500r/min以上時(shí)E10的排氣噪聲略有升高，E20基本不變。

發(fā)動(dòng)機(jī)性能；排氣噪聲；乙醇；汽油；混合燃料；試驗(yàn)研究

前言

石油資源是一種不可再生資源，經(jīng)過(guò)100多年的開(kāi)采，目前已探明儲(chǔ)量不足再開(kāi)采50年，大規(guī)模開(kāi)發(fā)和推廣使用替代能源十分必要。近年來(lái)，隨著生物燃料技術(shù)的發(fā)展和成熟，乙醇已成為可再生能源之一，得到了廣泛研究和應(yīng)用。

乙醇在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下是一種易燃、易揮發(fā)的無(wú)色透明液體，略有香味和刺激性氣味，可溶于水，也可混溶于醇、醚等多種有機(jī)溶劑。作為燃料使用具有辛烷值高、抗爆性好和含氧量高等特點(diǎn)，是良好的汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)替代燃料。乙醇的理化特性比較接近汽油，可作為點(diǎn)燃式發(fā)動(dòng)機(jī)的替代燃料。由于乙醇分子中含有35%的氧，理論上可使燃燒更充分。

在目前的乙醇汽油試驗(yàn)研究中，較少關(guān)注發(fā)動(dòng)機(jī)換燃乙醇汽油后充氣系數(shù)的變化，而充氣系數(shù)是評(píng)價(jià)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣過(guò)程完善程度最重要的指標(biāo)，直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性。通過(guò)流動(dòng)性能研究可為改善發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性提供參考。另外，由于缺乏相應(yīng)的噪聲測(cè)試條件和儀器設(shè)備(如半消聲室和噪聲采集分析儀)，目前乙醇試驗(yàn)沒(méi)有進(jìn)行排氣噪聲研究，也沒(méi)有關(guān)于燃用乙醇汽油對(duì)排氣噪聲影響的相關(guān)報(bào)道[1-4]。實(shí)際上發(fā)動(dòng)機(jī)的排氣噪聲是整車(chē)噪聲的主要來(lái)源，也是城市環(huán)境噪聲的主要來(lái)源[5-7]。因此，進(jìn)行排氣噪聲研究十分必要。

本文中對(duì)燃用乙醇汽油混合燃料(E10和E20)和93#純汽油(E0)的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行流動(dòng)性、動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性和排氣噪聲對(duì)比試驗(yàn)。其中，E10和E20分別表示乙醇與汽油按體積比10∶90和20∶80混合，試驗(yàn)中使用的乙醇為無(wú)水乙醇(體積比大于99.5%)，能夠與汽油直接混合，不需要添加助溶劑。表1為汽油和乙醇的理化特性[8]。

表1 汽油和乙醇的理化特性

1 試驗(yàn)測(cè)試設(shè)備和方法

試驗(yàn)對(duì)象為1.5VCT發(fā)動(dòng)機(jī)(直列4缸、自然吸氣、進(jìn)氣道噴射)，其主要參數(shù)見(jiàn)表2。

為了研究缸內(nèi)燃燒壓力對(duì)排氣噪聲的影響，采用燃燒分析儀測(cè)量第一缸的缸壓曲線。試驗(yàn)儀器和設(shè)備見(jiàn)表3。

按照GB 18297—2001《汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)性能試驗(yàn)方法》和QC/T 631—2009《汽車(chē)排氣消聲器總成技術(shù)條件和試驗(yàn)方法》進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)中帶全套排氣系統(tǒng)，如圖1所示。

在專(zhuān)業(yè)的半消聲室內(nèi)采集排氣噪聲，如圖2所示。

改燃乙醇汽油后，仍使用原機(jī)的ECU，采用基于純汽油標(biāo)定的燃油控制策略，按燃用汽油的空燃比參數(shù)進(jìn)行控制。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 充氣系數(shù)

對(duì)于自然吸氣發(fā)動(dòng)機(jī)，根據(jù)GB 18297—2001《汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)性能試驗(yàn)方法》，有

ηv=Ga/Gat

(1)

Gat=30×VH×n×ρa(bǔ)/1000

(2)

(3)

式中：ηv為充氣系數(shù)；Ga為流量計(jì)測(cè)得的實(shí)際狀態(tài)下的進(jìn)氣流量，并經(jīng)過(guò)換算得到的標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)的進(jìn)氣流量，kg/min；Gat為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下理論進(jìn)氣量，kg/min；VH為發(fā)動(dòng)機(jī)排量，L；n為發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，r/min；ρa(bǔ)為換算后標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的空氣密度，kg/L；p為進(jìn)氣實(shí)際壓力，Pa；T為進(jìn)氣絕對(duì)溫度，K。

圖3為外特性下的充氣系數(shù)?？梢钥闯鲆掖急壤礁?，充氣系數(shù)越大。E20的充氣系數(shù)增幅較大，在2%～6%之間，而E10在低轉(zhuǎn)速時(shí)變化不大，高轉(zhuǎn)速時(shí)最大增幅為2.1%。主要原因是乙醇的汽化潛熱比汽油大得多，燃油噴在進(jìn)氣道壁面上，乙醇汽油油膜液滴蒸發(fā)吸收的熱量比空氣大很多，混合氣在燃料蒸發(fā)過(guò)程中被冷卻，密度增大，有利于提高發(fā)動(dòng)機(jī)的充量系數(shù)[9]。

2.2 動(dòng)力性

圖4為外特性下的功率對(duì)比。由圖可見(jiàn)，總的來(lái)說(shuō)，燃用乙醇汽油后，發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性僅有細(xì)微的變化。在低轉(zhuǎn)速時(shí)，E10功率基本不變；在中、高轉(zhuǎn)速時(shí)，功率略有增大，6 000r/min時(shí)增加1.3kW，增幅為2.1%。而E20功率則下降，其中，6 000r/min時(shí)下降3.3kW，降幅為4.5%。

93#純汽油(E0)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14.1，E20的理論化學(xué)計(jì)量空燃比為13.5[9]。發(fā)動(dòng)機(jī)在全負(fù)荷工況、開(kāi)環(huán)控制時(shí)，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，E10和E20的混合氣變稀。

燃用E10功率提升的原因一方面是發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣量增加，另一方面乙醇是含氧燃料，能夠改善燃燒。同時(shí)，乙醇摻燒比例僅為10%，對(duì)當(dāng)量熱值影響并不大(相同體積時(shí)，E10的低熱值為E0的94%)。而燃用E20時(shí),雖然發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣量增加，乙醇含氧能夠改善燃燒；但由于E20混合氣變稀，不利于燃燒，并且由于乙醇摻燒比例較大，當(dāng)量熱值降低較多，從而導(dǎo)致功率下降。

2.3 經(jīng)濟(jì)性

為了便于比較乙醇/汽油對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)有效熱效率的影響，將乙醇/汽油的燃油消耗率按能量相等原則折算成與汽油等值的當(dāng)量燃油消耗率[10]，即

beq=(be×HL)/HLd

(4)

式中：beq為乙醇汽油混合燃料的當(dāng)量燃油消耗率，g/(kw·h)；be為乙醇汽油混合燃料的實(shí)際燃油消耗率，g/(kw·h)；HL為乙醇汽油混合燃料的質(zhì)量低熱值，MJ/kg；HLd為汽油的質(zhì)量低熱值，MJ/kg。

圖5為外特性下的當(dāng)量燃油消耗率對(duì)比，E10和E20的當(dāng)量燃油消耗率下降，降幅在2%～7%之間。

乙醇中的氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)為34.8%，乙醇燃燒的自供氧能力降低了混合氣在形成過(guò)程中局部缺氧的幾率，使燃燒趨于完善。特別在大負(fù)荷工況下效果更好。另外，乙醇中含有羥基，使乙醇參與化學(xué)反應(yīng)的活化能低于汽油，使得火焰?zhèn)鞑ニ俣缺绕涂?，燃燒時(shí)間較短，燃燒的定容性較好，后燃程度較小，從而使燃料的熱效率得到提高。

2.4 排氣噪聲

(1) 排氣噪聲理論和分類(lèi)

排氣噪聲是汽車(chē)及發(fā)動(dòng)機(jī)最主要噪聲源。當(dāng)排氣門(mén)打開(kāi)時(shí)，缸內(nèi)高溫氣體沖出，進(jìn)入排氣系統(tǒng)，在這一過(guò)程中，產(chǎn)生寬頻帶的排氣噪聲[5]。

排氣噪聲包括空氣噪聲、輻射噪聲和氣流摩擦噪聲等[6]。發(fā)動(dòng)機(jī)在排氣時(shí)，壓力波在排氣管道中傳播而形成空氣噪聲，低轉(zhuǎn)速時(shí)的排氣噪聲主要是空氣噪聲[6]。當(dāng)排氣系統(tǒng)不變時(shí)，空氣噪聲取決于缸內(nèi)燃燒狀況(缸壓曲線)。

當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到2 500～3 000r/min以上時(shí)，排氣管中氣體流速較高(>100m/s)，氣流與管道壁面產(chǎn)生摩擦，形成湍流，擾動(dòng)板振動(dòng)產(chǎn)生輻射噪聲(高頻噪聲)，當(dāng)氣流傳到尾管時(shí)，對(duì)外發(fā)出巨大的噪聲(即氣流摩擦噪聲，高頻噪聲)，此時(shí)氣流摩擦噪聲決定了噪聲值[6]。

(2) 排氣總噪聲和2階噪聲

圖6為外特性下的排氣總噪聲對(duì)比。

可以看出，2 500r/min以下時(shí)，E10和E20的排氣噪聲要低于E0，最大下降7.1dB(A)，降幅為11.2%；2 500r/min以上時(shí)，E10高于E0，平均高約2.0dB(A)，而E20則基本與E0一致。

除排氣總噪聲外，階次噪聲是評(píng)價(jià)聲品質(zhì)的一個(gè)重要指標(biāo)[6]。對(duì)4缸機(jī)來(lái)說(shuō)，2階噪聲是最主要的階次噪聲，如圖7所示。

可以看出，2階噪聲得到了較大下降，乙醇比例越高，2階噪聲越低。E10平均下降2.7dB(A)，最大降幅5.7%；而E20平均降幅5.9dB(A)，最大降幅11.2%。

在中、高轉(zhuǎn)速時(shí)，2階噪聲與排氣總噪聲存在明顯的差別，這是因?yàn)殡A次噪聲與發(fā)火階次有關(guān)，而與排氣流動(dòng)無(wú)關(guān)[6]。

(3) 排氣噪聲頻譜分析

通過(guò)頻譜分析可以了解排氣總噪聲變化的原因。圖8為常用轉(zhuǎn)速2 000r/min和最大轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速4 500r/min時(shí)的排氣噪聲1/3倍頻程頻譜圖。

由圖可見(jiàn)，2 000r/min時(shí)，E10和E20的各頻段的噪聲相應(yīng)下降，其中600～3 000Hz范圍內(nèi)下降明顯，最大下降7.9dB(A)，降幅為10.4%；4 500r/min時(shí)，E10的高頻噪聲(>1 000Hz)升高，平均增加3dB(A)，而E20變化不大。

(4) 噪聲變化原因分析

由前所述，通過(guò)燃燒和流動(dòng)分析，可以了解排氣總噪聲和頻譜變化的原因。

圖9為乙醇汽油在2 000r/min時(shí)的缸壓曲線。

從圖9中可以看出，E0的氣缸最大爆發(fā)壓力最大，而E20氣缸壓力最小，約為E0的83.3%；且乙醇比例越高，最大爆發(fā)壓力點(diǎn)越滯后。

E20的最大壓力出現(xiàn)在活塞燃燒上止點(diǎn)后20°CA附近，且整個(gè)曲線比較平緩，這也使壓力升高率較低。

2 000r/min時(shí)轉(zhuǎn)速比較低，缸內(nèi)溫度相對(duì)低一些，而且噴入混合燃料的量也比較大，乙醇又是含氧燃料，蒸發(fā)潛熱也大，所以低轉(zhuǎn)速時(shí)的燃燒壓力沒(méi)有汽油高。最終使得排氣門(mén)打開(kāi)時(shí)，壓力波能量較小，所以E10和E20的排氣總噪聲較低，600～3 000Hz以下的噪聲下降較大。

圖10為催化器后端(消聲器前端)的排氣背壓。

從圖10可以看出，E10的排氣背壓要高于E0，6 000r/min時(shí)高1.5kPa，而E20與E0基本一致。排氣壓力越大，則可轉(zhuǎn)化為動(dòng)能的能量越大，因而流速越大(由試驗(yàn)數(shù)據(jù)估算，6 000r/min時(shí)，E10的排氣管路中的氣流流速約為180m/s，而E0約為150m/s)，氣流摩擦噪聲越大，排氣噪聲越大，高頻噪聲值也就越大。因此，4 500r/min時(shí)，E10的排氣噪聲高于E0(見(jiàn)圖8)。

3 結(jié)論

(1) 當(dāng)燃用小比例的乙醇混合燃料(如E10)時(shí)，由于發(fā)動(dòng)機(jī)充氣系數(shù)得到了提升，發(fā)動(dòng)機(jī)功率變化不大，略有提高；而燃用大比例乙醇混合燃料(如E20)時(shí)，由于混合氣變稀，不利于燃燒，并且混合燃料的熱值降低較多，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)功率有小幅度的降低。

(2) 在1 200～2 000r/min，E10和E20的排氣噪聲得到較大改善，最大降幅達(dá)到11.2%，而2 500r/min以上時(shí)E10的排氣噪聲略有升高，E20基本不變。2階噪聲下降更明顯。

(3) 排氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不變時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)燃用不同比例乙醇汽油的情況下，低轉(zhuǎn)速時(shí)的氣缸燃燒壓力和中、高轉(zhuǎn)速時(shí)的排氣背壓都是影響排氣噪聲的重要因素。

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An Experimental Study on the Effects of Fueling Ethanol-Gasoline Blendson the Performance and Exhaust Noise of Engine

Qiu Sen1, Huang Hua2, Yuan Zhaocheng1, Chen Zhenbin2,3& Shi Bingfeng4

1.SchoolofAutomotiveEngineering,JilinUniversity,Changchun13000; 2.SchoolofAutomotiveStudies,TongjiUniversity,Shanghai201804; 3.CollegeofMechanicalandElectricalEngineering,HainanUniversity,Haikou570228; 4.EngineeringScienceandTechnology,ShanghaiOceanUniversity,Shanghai201306

Under the conditions of adopting the fuel control strategy based on pure gasoline with control parameters unchanged, the effects of fueling ethanol-gasoline blends (E10 and E20) on the charging efficiency, power performance, fuel economy and exhaust noise of a vehicle engine are studied by tests. The results show that for the charging efficiency of engine fueled with E20 increases by 2%～6%, but with E10, there is little change at low speeds and increases by 2.1% at most at high speeds. The rated power of engine fueled with E10 rises by 2.0%, but falls by 4.5% with E20. The equivalent specific fuel consumption of engine fueled with E10 or E20 declines by 2%～7%. The exhaust noise of engine fueled with E10 or E20 lowers significantly in a speed range of 1 200～2 000r/min, by 11.2% at most, and it slightly rises with E10 and basically unchanged with E20 when speed higher than 2500 r/min.

engine performances; exhaust noise; ethanol; gasoline; blend fuel; experimental study

*海南大學(xué)中西部計(jì)劃(ZXBJH-XK015)和國(guó)家自然科學(xué)基金(51166002)資助。

原稿收到日期為2014年7月25日，修改稿收到日期為2015年6月8日。