乙醇汽油對發動機性能和排氣噪聲影響的試驗研究*

邱 森，黃 華，袁兆成，陳振斌,3，施兵峰

(1.吉林大學汽車工程學院，長春 130000； 2.同濟大學汽車學院，上海 201804； 3.海南大學機電工程學院，海口 570028；4.上海海洋大學工程學院，上海 201306)

2016086

乙醇汽油對發動機性能和排氣噪聲影響的試驗研究*

邱 森1，黃 華2，袁兆成1，陳振斌2,3，施兵峰4

(1.吉林大學汽車工程學院，長春 130000； 2.同濟大學汽車學院，上海 201804； 3.海南大學機電工程學院，海口 570028；4.上海海洋大學工程學院，上海 201306)

在電控汽油機參數未作任何調整，采用基于純汽油標定的燃油控制策略的情況下，研究了某款車用汽油機燃用乙醇汽油(E10和E20)對發動機充氣效率、動力性、經濟性和排氣噪聲的影響。結果表明：燃用E20時充氣系數增加2%～6%；而燃用E10時，在低轉速時E10的充氣系數基本不變，高轉速時最大增幅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，最大降幅達到11.2%，而2 500r/min以上時E10的排氣噪聲略有升高，E20基本不變。

發動機性能；排氣噪聲；乙醇；汽油；混合燃料；試驗研究

前言

石油資源是一種不可再生資源，經過100多年的開采，目前已探明儲量不足再開采50年，大規模開發和推廣使用替代能源十分必要。近年來，隨著生物燃料技術的發展和成熟，乙醇已成為可再生能源之一，得到了廣泛研究和應用。

乙醇在標準狀態下是一種易燃、易揮發的無色透明液體，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，是良好的汽車發動機替代燃料。乙醇的理化特性比較接近汽油，可作為點燃式發動機的替代燃料。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研究中，較少關注發動機換燃乙醇汽油后充氣系數的變化，而充氣系數是評價發動機進氣過程完善程度最重要的指標，直接影響發動機的動力性和經濟性。通過流動性能研究可為改善發動機動力性和經濟性提供參考。另外，由于缺乏相應的噪聲測試條件和儀器設備(如半消聲室和噪聲采集分析儀)，目前乙醇試驗沒有進行排氣噪聲研究，也沒有關于燃用乙醇汽油對排氣噪聲影響的相關報道[1-4]。實際上發動機的排氣噪聲是整車噪聲的主要來源，也是城市環境噪聲的主要來源[5-7]。因此，進行排氣噪聲研究十分必要。

本文中對燃用乙醇汽油混合燃料(E10和E20)和93#純汽油(E0)的發動機進行流動性、動力性、經濟性和排氣噪聲對比試驗。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，試驗中使用的乙醇為無水乙醇(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 試驗測試設備和方法

試驗對象為1.5VCT發動機(直列4缸、自然吸氣、進氣道噴射)，其主要參數見表2。

為了研究缸內燃燒壓力對排氣噪聲的影響，采用燃燒分析儀測量第一缸的缸壓曲線。試驗儀器和設備見表3。

按照GB 18297—2001《汽車發動機性能試驗方法》和QC/T 631—2009《汽車排氣消聲器總成技術條件和試驗方法》進行試驗。試驗中帶全套排氣系統，如圖1所示。

在專業的半消聲室內采集排氣噪聲，如圖2所示。

改燃乙醇汽油后，仍使用原機的ECU，采用基于純汽油標定的燃油控制策略，按燃用汽油的空燃比參數進行控制。

2 試驗結果與分析

2.1 充氣系數

對于自然吸氣發動機，根據GB 18297—2001《汽車發動機性能試驗方法》，有

ηv=Ga/Gat

(1)

Gat=30×VH×n×ρa/1000

(2)

(3)

式中：ηv為充氣系數；Ga為流量計測得的實際狀態下的進氣流量，并經過換算得到的標準狀態的進氣流量，kg/min；Gat為標準狀態下理論進氣量，kg/min；VH為發動機排量，L；n為發動機轉速，r/min；ρa為換算后標準狀態下的空氣密度，kg/L；p為進氣實際壓力，Pa；T為進氣絕對溫度，K。

圖3為外特性下的充氣系數。可以看出乙醇比例越高，充氣系數越大。E20的充氣系數增幅較大，在2%～6%之間，而E10在低轉速時變化不大，高轉速時最大增幅為2.1%。主要原因是乙醇的汽化潛熱比汽油大得多，燃油噴在進氣道壁面上，乙醇汽油油膜液滴蒸發吸收的熱量比空氣大很多，混合氣在燃料蒸發過程中被冷卻，密度增大，有利于提高發動機的充量系數[9]。

2.2 動力性

圖4為外特性下的功率對比。由圖可見，總的來說，燃用乙醇汽油后，發動機動力性僅有細微的變化。在低轉速時，E10功率基本不變；在中、高轉速時，功率略有增大，6 000r/min時增加1.3kW，增幅為2.1%。而E20功率則下降，其中，6 000r/min時下降3.3kW，降幅為4.5%。

93#純汽油(E0)的理論化學計量空燃比為14.8，經計算E10的理論化學計量空燃比為14.1，E20的理論化學計量空燃比為13.5[9]。發動機在全負荷工況、開環控制時，ECU按燃用汽油的空燃比參數進行控制，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動機進氣量增加，另一方面乙醇是含氧燃料，能夠改善燃燒。同時，乙醇摻燒比例僅為10%，對當量熱值影響并不大(相同體積時，E10的低熱值為E0的94%)。而燃用E20時,雖然發動機進氣量增加，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，當量熱值降低較多，從而導致功率下降。

2.3 經濟性

為了便于比較乙醇/汽油對發動機有效熱效率的影響，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量燃油消耗率，g/(kw·h)；be為乙醇汽油混合燃料的實際燃油消耗率，g/(kw·h)；HL為乙醇汽油混合燃料的質量低熱值，MJ/kg；HLd為汽油的質量低熱值，MJ/kg。

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

乙醇中的氧質量分數為34.8%，乙醇燃燒的自供氧能力降低了混合氣在形成過程中局部缺氧的幾率，使燃燒趨于完善。特別在大負荷工況下效果更好。另外，乙醇中含有羥基，使乙醇參與化學反應的活化能低于汽油，使得火焰傳播速度比汽油快，燃燒時間較短，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

排氣噪聲是汽車及發動機最主要噪聲源。當排氣門打開時，缸內高溫氣體沖出，進入排氣系統，在這一過程中，產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]。發動機在排氣時，壓力波在排氣管道中傳播而形成空氣噪聲，低轉速時的排氣噪聲主要是空氣噪聲[6]。當排氣系統不變時，空氣噪聲取決于缸內燃燒狀況(缸壓曲線)。

當轉速達到2 500～3 000r/min以上時，排氣管中氣體流速較高(>100m/s)，氣流與管道壁面產生摩擦，形成湍流，擾動板振動產生輻射噪聲(高頻噪聲)，當氣流傳到尾管時，對外發出巨大的噪聲(即氣流摩擦噪聲，高頻噪聲)，此時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比。

可以看出，2 500r/min以下時，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，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，階次噪聲是評價聲品質的一個重要指標[6]。對4缸機來說，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、高轉速時，2階噪聲與排氣總噪聲存在明顯的差別，這是因為階次噪聲與發火階次有關，而與排氣流動無關[6]。

(3) 排氣噪聲頻譜分析

通過頻譜分析可以了解排氣總噪聲變化的原因。圖8為常用轉速2 000r/min和最大轉矩轉速4 500r/min時的排氣噪聲1/3倍頻程頻譜圖。

由圖可見，2 000r/min時，E10和E20的各頻段的噪聲相應下降，其中600～3 000Hz范圍內下降明顯，最大下降7.9dB(A)，降幅為10.4%；4 500r/min時，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，通過燃燒和流動分析，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時的缸壓曲線。

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

E20的最大壓力出現在活塞燃燒上止點后20°CA附近，且整個曲線比較平緩，這也使壓力升高率較低。

2 000r/min時轉速比較低，缸內溫度相對低一些，而且噴入混合燃料的量也比較大，乙醇又是含氧燃料，蒸發潛熱也大，所以低轉速時的燃燒壓力沒有汽油高。最終使得排氣門打開時，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時高1.5kPa，而E20與E0基本一致。排氣壓力越大，則可轉化為動能的能量越大，因而流速越大(由試驗數據估算，6 000r/min時，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，E10的排氣噪聲高于E0(見圖8)。

3 結論

(1) 當燃用小比例的乙醇混合燃料(如E10)時，由于發動機充氣系數得到了提升，發動機功率變化不大，略有提高；而燃用大比例乙醇混合燃料(如E20)時，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，導致發動機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，最大降幅達到11.2%，而2 500r/min以上時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) 排氣系統結構不變時，發動機燃用不同比例乙醇汽油的情況下，低轉速時的氣缸燃燒壓力和中、高轉速時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

*海南大學中西部計劃(ZXBJH-XK015)和國家自然科學基金(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。