燃用乙醇汽油发动机空燃比控制研究

崔淑华　刘功兴

摘要：基于乙醇汽油和汽油的空燃比的差异以及对发动机性能的影响，在不改变发动机结构参数的情况下，试验研究发动机燃用93号E10和93号汽油的基本性能。从试验可以得出发动机燃用乙醇汽油与汽油的动力性、经济性及排放特性对比。在中、低转速动力性下降，在较高转速动力性相当；燃油经济性在低、中负荷略有下降，在高负荷略好于汽油；在怠速工况下，乙醇汽油会降低汽油机的CO、HC和NOx的排放。针对燃料空燃比对发动机的性能影响，对发动机燃用乙醇汽油的空燃比的控制进行研究。对发动机的喷油器喷孔直径、喷油脉宽及喷油量的定量修正，为发动机燃用乙醇汽油的空燃比控制提供参考。

关键词：乙醇汽油；发动机性能；空燃比；控制

中图分类号：S 782.51文献标识码：A文章编号：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

基金项目：黑龙江省交通运输厅科技项目（黑龙江省道路运输业节能减排评价方法研究）

第一作者简介：崔淑华，硕士，教授。研究方向：汽车节能减排技术。Email：616960166@qq.com

引文格式：崔淑華，刘功兴.燃用乙醇汽油发动机空燃比控制研究[J].森林工程，2015，31（1）：75-77.由于石油短缺和汽车尾气排放对大气环境污染的日益严重，开发低污染代用燃料 已引起各国研究者的重视。乙醇因其理化性质接近汽油且辛烷值高、毒性小，与汽油混合后可作为车用燃料，对乙醇汽油进行了大量的试验研究[1-8]。Stump等人在某轻型客车上对乙醇汽油的燃用效果进行了试验，结果显示，发动机排气中HC和CO的排放均有较大幅度的下降[9]。近年一系列的国内外的相关研究表明，车辆在结构和控制不改变的情况下，可使用小比例乙醇汽油混合燃料。目前国内部分省份推广使用的是变性燃料乙醇和汽油按照体积比例调配后形成的乙醇含量为10%的E10乙醇汽油混合燃料。乙醇汽油在理论空燃比等指标与汽油存在一定的差异，本文针对发动机燃用乙醇汽油的空燃比控制方法进行探讨。

1发动机性能对比试验

在1.6 L排量的电控燃油喷射发动机上，进行燃用93号E10和93号汽油的性能对比试验。试验内容包括全负荷速度特性试验和负荷特性试验、发动机怠速运转的排气污染物试验。全负荷速度特性对比试验结果如图1和图2所示；发动机转速为3 000 r/min的负荷特性对比试验结果如图3所示；发动机怠速运转的排气污染物试验结果如图4所示。

2试验结果分析

2.1发动机的动力性对比分析

从图1和图2可知，在较低转速范围内，发动机燃用93号E10时的功率和扭矩小于燃用93号汽油时的功率和扭矩；随着转速的升高，二者逐渐接近，当转速达到约4500r/min时，发动机燃用93号E10时的功率和扭矩呈现略高于燃用93号汽油时的功率和扭矩的趋势。由于乙醇和汽油的理化特性不同[10]，汽油理论混合气热值为3.81MJ/m3，乙醇理论混合气热值为3.86MJ/m3。汽油的理论化学计量空燃比为14.8，经计算E10的理论化学计量空燃比为14.12。当发动机电控喷油系统按照空燃比为14.8进行供油时，该空燃比下的E10混合气热值是汽油的99.45%。即理论上燃用E10的动力性会下降0.55%。当发动机在全负荷工况、开环控制时，ECU按燃用汽油的空燃比参数进行控制，在喷油量相等的情况下，乙醇汽油的混合气较稀，因此发动机的扭矩和功率输出较低；但是随着发动机转速的升高和燃油喷射量的增大，混合气的浓度反而接近乙醇汽油的理论空燃比，同时乙醇的汽化潜热较大，提高了发动机的充气效率，醇的含氧特性使得混合燃料的燃烧更充分，使得发动机的扭矩和功率有所提高。

图1速度特性Ttq对比曲线

Fig.1 Comparison curve of velocity characteristic Ttq

图2速度特性Pe对比曲线

Fig.2 Comparison curve of velocity characteristic Pe第1期崔淑华等：燃用乙醇汽油发动机空燃比控制研究

森林工程第31卷

2.2发动机的经济性对比分析

衡量发动机经济性能的重要指标是有效热效率ηet和有效燃油消耗率be[11]。

（1）有效热效率。有效热效率ηet的表达式为：

ηet=3.6×106beHu。（1）

式中：Hu为燃料低热值，MJ/kg；be为有效燃油消耗率，g/kW·h；

应用公式（1）计算两种燃料的有效热效率。从发动机转速为3000 r/min的负荷特性对比曲线图3可知，在较低负荷范围内，发动机燃用93号E10时的有效燃油消耗率高于燃用93号汽油时的有效燃油消耗率；随着负荷的升高，二者逐渐接近，当负荷达到约70 N·m时，发动机燃用93号E10时的有效燃油消耗率略低于燃用93号汽油时的有效燃油消耗率。在较低负荷范围内，发动机燃用93号E10有效热效率与93号汽油有效热效率基本趋于一致；随着负荷的增加，发动机燃用93号E10有效热效率高于燃用93号汽油的有效热效率。

图3负荷特性be和ηet对比曲线

Fig.3 Comparison curve of load characteristics be and ηet

乙醇汽油的理论空燃比小于汽油，在喷油量相同情况下，乙醇汽油的处于较稀混合气状态，发动机的扭矩和功率略有下降；但是随着发动机负荷的升高和燃油喷射量的增大，混合气的浓度反而接近乙醇汽油的理论空燃比，同时乙醇的汽化潜热较大，提高了发动机的充气效率，醇的含氧特性使得混合燃料的燃烧更充分，使得发动机有效热效率提高。

2.3发动机怠速排放对比分析

如图4所示为发动机在怠速工况下，燃烧93号E10和93号汽油排放污染物对比结果，图4中以93号汽油的污染物排放量为100%，发动机燃用93号E10时的污染物排放量为其实际排放值与发动机燃用93号汽油时的比值。怠速运转条件下，发动机燃用93号E10的污染物CO、HC和NOx的浓度减少。

图4怠速排放对比图

Fig.4 Comparison chart of idle emission

发动机在怠速工况下，由于E10含氧量高，有利于燃料的充分燃烧，使得CO和HC排放明显降低。因为E10的汽化潜热大，进气温度的降低使燃烧温度降低，所以NOX排放降低。

3空燃比的控制

进气歧管的动态特性、喷油器的流量特性以及电子控制系统的控制方式都是决定发动机空燃比的关键因素[12]。

3.1影响喷油量因素分析

喷油器的喷油量表达式（2）为：

Q=μAi2ρ×（pf-pi）×T。（2）

式中：Q为喷油器的喷油量，kg；μ为喷油孔的流量系数；Ai为喷油器喷孔面积，m2；ρ为燃油密度，kg/m3；Pf为燃油总管油压，MPa；Pi为进气支管压力，MPa；T为喷油脉宽，ms。

由公式（2）可知，喷油器的喷油量主要由喷油器的喷孔面积、燃油密度、燃油总管油压与进气支管的压力差和喷油脉宽决定。

3.2乙醇汽油喷油量的修正

由公式（2）分析可知，为修正喷射量，可对喷油脉宽和喷油器喷油孔面积进行修正。

（1）喷油脉宽的修正。汽油发动机的空燃比为14.8，為使发动机燃用93号E10的空燃比为14.12，应增加乙醇汽油的喷油量。空燃比14.8的喷油量为Q1，空燃比14.12的喷油量为Q2。则由公式（2）可得：

Q1=μAi2ρe×（pf-pi）×T1。（3）

Q2=μAi2ρe×（pf-pi）×T2。（4）

在喷油压力和喷油孔面积一定的条件下，由公式（3）、（4）可得：

T2=Q2Q1T1。（5）

因为进气质量不变，可以根据空燃比计算喷油量Q2与Q1的比值，在已知空燃比为14.8的喷油脉宽T1的基础上，通过公式（5）可求得93号E10的喷射脉宽T2。

（2）喷孔直径的修正。两种燃料的混合气热值不同，为保证发动机的动力性不降低，需使两种燃料的混合气燃烧放出的热量相等。可以通过增加93号E10的供油量来提高混合气放出的热量。在喷油脉宽一定的条件下，可对喷油器喷油孔面积相应值进行修正。

Ge×He=Gp×Hp。（6）

G=Ai×v×ρ。（7）

Ai=πD24。（8）

将公式（7）、（8）带入公式（6）计算得到：

DeDq=Hq×vq×ρqHe×ve×ρe（9）

式中：G为燃料的质量流量，kg/s；H为混合气的低热值，MJ/kg；Ai为喷油器喷孔面积，m2；v为燃料流经喷孔的流速，m/s；ρ为燃料的密度，kg/m3；D为喷油器喷孔直径，m（注：下标e表示93号E10；q表示93号汽油）。

利用公式（9），在喷油孔燃料流速可测或已知喷油器喷孔面积和燃料流速关系前提下，可求得喷孔直径修正值。

4结论

基于乙醇汽油与汽油的空燃比的差异及其对发动机性能的影响，分析了发动机不改变结构参数的情况下，燃用93号E10和93号汽油的基本性能。发动机燃用乙醇汽油在中、低转速时，动力性下降，在较高转速时，动力性相当；燃油经济性在低、中负荷略有下降，在高负荷略好于汽油；发动机怠速工况下的排气污染物减少。针对燃料空燃比对发动机的性能的影响，对发动机燃用乙醇汽油的空燃比的控制进行了研究，对发动机的喷油器喷孔直径、喷油脉宽和喷油量进行定量修正，为发动机

燃用乙醇汽油的空燃比控制提供了参考。

【参考文献】

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[责任编辑：董希斌]