乙醇汽油对发动机性能和排气噪声影响的试验研究*

邱 森，黄 华，袁兆成，陈振斌,3，施兵峰

(1.吉林大学汽车工程学院，长春 130000； 2.同济大学汽车学院，上海 201804； 3.海南大学机电工程学院，海口 570028；4.上海海洋大学工程学院，上海 201306)

2016086

乙醇汽油对发动机性能和排气噪声影响的试验研究*

邱 森1，黄 华2，袁兆成1，陈振斌2,3，施兵峰4

(1.吉林大学汽车工程学院，长春 130000； 2.同济大学汽车学院，上海 201804； 3.海南大学机电工程学院，海口 570028；4.上海海洋大学工程学院，上海 201306)

在电控汽油机参数未作任何调整，采用基于纯汽油标定的燃油控制策略的情况下，研究了某款车用汽油机燃用乙醇汽油(E10和E20)对发动机充气效率、动力性、经济性和排气噪声的影响。结果表明：燃用E20时充气系数增加2%～6%；而燃用E10时，在低转速时E10的充气系数基本不变，高转速时最大增幅2.1%；燃用E10的额定功率提升2.0%，而E20下降4.5%；E10和E20的当量燃油消耗率下降2%～7%；在1 200～2 000r/min，E10和E20的排气噪声下降显著，最大降幅达到11.2%，而2 500r/min以上时E10的排气噪声略有升高，E20基本不变。

发动机性能；排气噪声；乙醇；汽油；混合燃料；试验研究

前言

石油资源是一种不可再生资源，经过100多年的开采，目前已探明储量不足再开采50年，大规模开发和推广使用替代能源十分必要。近年来，随着生物燃料技术的发展和成熟，乙醇已成为可再生能源之一，得到了广泛研究和应用。

乙醇在标准状态下是一种易燃、易挥发的无色透明液体，略有香味和刺激性气味，可溶于水，也可混溶于醇、醚等多种有机溶剂。作为燃料使用具有辛烷值高、抗爆性好和含氧量高等特点，是良好的汽车发动机替代燃料。乙醇的理化特性比较接近汽油，可作为点燃式发动机的替代燃料。由于乙醇分子中含有35%的氧，理论上可使燃烧更充分。

在目前的乙醇汽油试验研究中，较少关注发动机换燃乙醇汽油后充气系数的变化，而充气系数是评价发动机进气过程完善程度最重要的指标，直接影响发动机的动力性和经济性。通过流动性能研究可为改善发动机动力性和经济性提供参考。另外，由于缺乏相应的噪声测试条件和仪器设备(如半消声室和噪声采集分析仪)，目前乙醇试验没有进行排气噪声研究，也没有关于燃用乙醇汽油对排气噪声影响的相关报道[1-4]。实际上发动机的排气噪声是整车噪声的主要来源，也是城市环境噪声的主要来源[5-7]。因此，进行排气噪声研究十分必要。

本文中对燃用乙醇汽油混合燃料(E10和E20)和93#纯汽油(E0)的发动机进行流动性、动力性、经济性和排气噪声对比试验。其中，E10和E20分别表示乙醇与汽油按体积比10∶90和20∶80混合，试验中使用的乙醇为无水乙醇(体积比大于99.5%)，能够与汽油直接混合，不需要添加助溶剂。表1为汽油和乙醇的理化特性[8]。

表1 汽油和乙醇的理化特性

1 试验测试设备和方法

试验对象为1.5VCT发动机(直列4缸、自然吸气、进气道喷射)，其主要参数见表2。

为了研究缸内燃烧压力对排气噪声的影响，采用燃烧分析仪测量第一缸的缸压曲线。试验仪器和设备见表3。

按照GB 18297—2001《汽车发动机性能试验方法》和QC/T 631—2009《汽车排气消声器总成技术条件和试验方法》进行试验。试验中带全套排气系统，如图1所示。

在专业的半消声室内采集排气噪声，如图2所示。

改燃乙醇汽油后，仍使用原机的ECU，采用基于纯汽油标定的燃油控制策略，按燃用汽油的空燃比参数进行控制。

2 试验结果与分析

2.1 充气系数

对于自然吸气发动机，根据GB 18297—2001《汽车发动机性能试验方法》，有

ηv=Ga/Gat

(1)

Gat=30×VH×n×ρa/1000

(2)

(3)

式中：ηv为充气系数；Ga为流量计测得的实际状态下的进气流量，并经过换算得到的标准状态的进气流量，kg/min；Gat为标准状态下理论进气量，kg/min；VH为发动机排量，L；n为发动机转速，r/min；ρa为换算后标准状态下的空气密度，kg/L；p为进气实际压力，Pa；T为进气绝对温度，K。

图3为外特性下的充气系数。可以看出乙醇比例越高，充气系数越大。E20的充气系数增幅较大，在2%～6%之间，而E10在低转速时变化不大，高转速时最大增幅为2.1%。主要原因是乙醇的汽化潜热比汽油大得多，燃油喷在进气道壁面上，乙醇汽油油膜液滴蒸发吸收的热量比空气大很多，混合气在燃料蒸发过程中被冷却，密度增大，有利于提高发动机的充量系数[9]。

2.2 动力性

图4为外特性下的功率对比。由图可见，总的来说，燃用乙醇汽油后，发动机动力性仅有细微的变化。在低转速时，E10功率基本不变；在中、高转速时，功率略有增大，6 000r/min时增加1.3kW，增幅为2.1%。而E20功率则下降，其中，6 000r/min时下降3.3kW，降幅为4.5%。

93#纯汽油(E0)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14.1，E20的理论化学计量空燃比为13.5[9]。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，E10和E20的混合气变稀。

燃用E10功率提升的原因一方面是发动机进气量增加，另一方面乙醇是含氧燃料，能够改善燃烧。同时，乙醇掺烧比例仅为10%，对当量热值影响并不大(相同体积时，E10的低热值为E0的94%)。而燃用E20时,虽然发动机进气量增加，乙醇含氧能够改善燃烧；但由于E20混合气变稀，不利于燃烧，并且由于乙醇掺烧比例较大，当量热值降低较多，从而导致功率下降。

2.3 经济性

为了便于比较乙醇/汽油对发动机有效热效率的影响，将乙醇/汽油的燃油消耗率按能量相等原则折算成与汽油等值的当量燃油消耗率[10]，即

beq=(be×HL)/HLd

(4)

式中：beq为乙醇汽油混合燃料的当量燃油消耗率，g/(kw·h)；be为乙醇汽油混合燃料的实际燃油消耗率，g/(kw·h)；HL为乙醇汽油混合燃料的质量低热值，MJ/kg；HLd为汽油的质量低热值，MJ/kg。

图5为外特性下的当量燃油消耗率对比，E10和E20的当量燃油消耗率下降，降幅在2%～7%之间。

乙醇中的氧质量分数为34.8%，乙醇燃烧的自供氧能力降低了混合气在形成过程中局部缺氧的几率，使燃烧趋于完善。特别在大负荷工况下效果更好。另外，乙醇中含有羟基，使乙醇参与化学反应的活化能低于汽油，使得火焰传播速度比汽油快，燃烧时间较短，燃烧的定容性较好，后燃程度较小，从而使燃料的热效率得到提高。

2.4 排气噪声

(1) 排气噪声理论和分类

排气噪声是汽车及发动机最主要噪声源。当排气门打开时，缸内高温气体冲出，进入排气系统，在这一过程中，产生宽频带的排气噪声[5]。

排气噪声包括空气噪声、辐射噪声和气流摩擦噪声等[6]。发动机在排气时，压力波在排气管道中传播而形成空气噪声，低转速时的排气噪声主要是空气噪声[6]。当排气系统不变时，空气噪声取决于缸内燃烧状况(缸压曲线)。

当转速达到2 500～3 000r/min以上时，排气管中气体流速较高(>100m/s)，气流与管道壁面产生摩擦，形成湍流，扰动板振动产生辐射噪声(高频噪声)，当气流传到尾管时，对外发出巨大的噪声(即气流摩擦噪声，高频噪声)，此时气流摩擦噪声决定了噪声值[6]。

(2) 排气总噪声和2阶噪声

图6为外特性下的排气总噪声对比。

可以看出，2 500r/min以下时，E10和E20的排气噪声要低于E0，最大下降7.1dB(A)，降幅为11.2%；2 500r/min以上时，E10高于E0，平均高约2.0dB(A)，而E20则基本与E0一致。

除排气总噪声外，阶次噪声是评价声品质的一个重要指标[6]。对4缸机来说，2阶噪声是最主要的阶次噪声，如图7所示。

可以看出，2阶噪声得到了较大下降，乙醇比例越高，2阶噪声越低。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、高转速时，2阶噪声与排气总噪声存在明显的差别，这是因为阶次噪声与发火阶次有关，而与排气流动无关[6]。

(3) 排气噪声频谱分析

通过频谱分析可以了解排气总噪声变化的原因。图8为常用转速2 000r/min和最大转矩转速4 500r/min时的排气噪声1/3倍频程频谱图。

由图可见，2 000r/min时，E10和E20的各频段的噪声相应下降，其中600～3 000Hz范围内下降明显，最大下降7.9dB(A)，降幅为10.4%；4 500r/min时，E10的高频噪声(>1 000Hz)升高，平均增加3dB(A)，而E20变化不大。

(4) 噪声变化原因分析

由前所述，通过燃烧和流动分析，可以了解排气总噪声和频谱变化的原因。

图9为乙醇汽油在2 000r/min时的缸压曲线。

从图9中可以看出，E0的气缸最大爆发压力最大，而E20气缸压力最小，约为E0的83.3%；且乙醇比例越高，最大爆发压力点越滞后。

E20的最大压力出现在活塞燃烧上止点后20°CA附近，且整个曲线比较平缓，这也使压力升高率较低。

2 000r/min时转速比较低，缸内温度相对低一些，而且喷入混合燃料的量也比较大，乙醇又是含氧燃料，蒸发潜热也大，所以低转速时的燃烧压力没有汽油高。最终使得排气门打开时，压力波能量较小，所以E10和E20的排气总噪声较低，600～3 000Hz以下的噪声下降较大。

图10为催化器后端(消声器前端)的排气背压。

从图10可以看出，E10的排气背压要高于E0，6 000r/min时高1.5kPa，而E20与E0基本一致。排气压力越大，则可转化为动能的能量越大，因而流速越大(由试验数据估算，6 000r/min时，E10的排气管路中的气流流速约为180m/s，而E0约为150m/s)，气流摩擦噪声越大，排气噪声越大，高频噪声值也就越大。因此，4 500r/min时，E10的排气噪声高于E0(见图8)。

3 结论

(1) 当燃用小比例的乙醇混合燃料(如E10)时，由于发动机充气系数得到了提升，发动机功率变化不大，略有提高；而燃用大比例乙醇混合燃料(如E20)时，由于混合气变稀，不利于燃烧，并且混合燃料的热值降低较多，导致发动机功率有小幅度的降低。

(2) 在1 200～2 000r/min，E10和E20的排气噪声得到较大改善，最大降幅达到11.2%，而2 500r/min以上时E10的排气噪声略有升高，E20基本不变。2阶噪声下降更明显。

(3) 排气系统结构不变时，发动机燃用不同比例乙醇汽油的情况下，低转速时的气缸燃烧压力和中、高转速时的排气背压都是影响排气噪声的重要因素。

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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

*海南大学中西部计划(ZXBJH-XK015)和国家自然科学基金(51166002)资助。

原稿收到日期为2014年7月25日，修改稿收到日期为2015年6月8日。