汽油机燃用甲醇-汽油灵活燃料的排气噪声试验研究

黄 华 崔国旭 施兵峰 陈振斌

（1-同济大学汽车学院上海2018042-苏州沿泰汽车技术有限公司3-中国汽车技术研究中心4-上海海洋大学工程学院5-海南大学机电工程学院）

·振动·噪声·

汽油机燃用甲醇-汽油灵活燃料的排气噪声试验研究

黄 华1，2崔国旭3施兵峰4陈振斌1，5

（1-同济大学汽车学院上海2018042-苏州沿泰汽车技术有限公司3-中国汽车技术研究中心4-上海海洋大学工程学院5-海南大学机电工程学院）

在电控汽油机参数未作任何调整的情况下，采用基于纯汽油标定的燃油控制策略，研究了某款车用汽油机燃用甲醇-汽油灵活燃料（M15和M85）对排气噪声特性的影响。结果表明：节气门全开时燃用甲醇-汽油混合燃料，在中、高转速时，排气噪声高于纯汽油（M0），且甲醇比例越高，排气噪声越大；在低转速时，则相反。同时，通过缸压曲线和排气流速，分析了噪声变化的原因。最后在台架上模拟整车在道路上运行时的噪声变化情况，总体上噪声下降。

甲醇汽油灵活燃料排气噪声试验

引言

甲醇作为一种可再生含氧燃料，具有辛烷值高、抗爆性好、含氧量高、燃烧速度快等特点，是良好的汽车替代燃料。同时，在标准状态下甲醇是无色澄清液体，有刺激性气味，可溶于水，也可混溶于醇、醚等多种有机溶剂。国内外学者针对甲醇-汽油混合燃料进行了深入研究，包括燃料的经济性、动力性、排放性等，并深入剖析了甲醇-汽油混合的可替代性。

吉林大学的姜立永，刘忠长等通过对比发动机燃用甲醇和汽油的燃烧过程，得出甲醇发动机的滞燃期和主燃期都比汽油机短，循环变动率比汽油机低，燃烧过程迅速而稳定，因此甲醇发动机的热效率比汽油机高，可以获得很好的经济性[1-2]；西安交通大学的宋睿智等人通过分别选用93#汽油以及M10、M20和M30甲醇-汽油混合燃料，开展了不同环境温度下混合燃料对冷起动及后怠速暖机过程排放特性的研究。结果表明，在各个环境温度下冷起动过程的HC和CO排放均降低；在相同的环境温度下，M30降低幅度最为明显[3]。重庆工学院的张勇等人通过分别选用93#汽油以及M10、M15和M20开展发动机的经济性研究。结果表明，燃用混合燃料时，发动机的功率与燃用汽油时基本相当，但经济性有所改善，热效率明显提高[4]。

汽车排气噪声作为交通噪声最重要的噪声污染源，逐渐成为城市环境噪声的主要来源[5-6]。然而，当前关于甲醇-汽油混合燃料对排气噪声的影响研究较少。因此以甲醇-汽油混合燃料为基础，研究可替代能源的噪声问题，为可替代性能源的推广应用和评价提供更全面的参考。

基于以上分析，本文开展了甲醇-汽油灵活燃料的排气噪声研究，研究不同配合比例对排气噪声的影响，为环境影响评价提供参考。

1 排气噪声产生机理

发动机工作时，甲醇-汽油混合气体极短时间在缸内产生高温高压燃烧。排气门打开后，燃烧所产生的废气在排气管中急剧流动，受活塞往复运动和排气门开闭的影响，排气气流呈脉动形式在排气管中流动。由于气流急剧流动，产生了强烈的排气噪声，根据排气过程产生噪声机理，排气噪声的主要成分包括基频排气噪声、涡流噪声、气柱共振噪声等[6]。

1.1 基频排气噪声

在汽油机排气门开启时，具有较高压力的气体从气缸内喷出，气流冲击到排气道内气门附近的气体上，使其产生压力巨变而形成压力波。压力波随排气门的周期性开闭呈周期性变化，从而产生周期性的低频噪声，基频频率为：

式中：ft为基频噪声的频率；z为气缸数；n为发动机转速；τ为冲程数。

1.2 气柱共振噪声

排气管中的空气柱，在周期性排气噪声的激发下，因发生共振而产生空气柱共振噪声。

1.3 其他噪声

排气管内壁面摩擦噪声、紊流噪声、喷注噪声及冲击噪声等都是高频噪声，并且随着气流流速的增加而增大。

通过噪声机理分析，可为噪声试验研究提供理论参考。

2 甲醇-汽油灵活燃料试验

2.1 汽油机参数

本研究采用的发动机是某公司提供的型号为1.5VCT的直列4缸、自然吸气、四冲程直喷汽油发动机，其主要技术参数见表1。

表1 汽油机主要技术参数

2.2 甲醇－汽油灵活燃料控制系统

传统的甲醇-汽油灵活燃料系统是对已配好的多种混合燃油组份进行识别，通过ECU对不同工况的要求，调整喷油量和点火等参数，以达到发动机的动力性、经济性和排放等方面的平衡。如图1所示。

图1 传统甲醇-汽油灵活燃料系统

该系统存在不足之处：可选择的混合比例较少；如果都是高比例甲醇-汽油混合燃料，在发动机冷启动和怠速情况下，存在启动困难和非常规排放（如甲醛等）较大等问题；甲醇含水量、非芳烃含量和甲醇纯度均会影响甲醇与汽油的互溶性[7-10]。

为解决以上问题，提出一套新型甲醇-汽油灵活燃料系统，其特点是在传统的发动机供油系统再加装一套甲醇供油系统，如图2所示。具体是在进气道和进气歧管之间加100 mm长直管（与进气道和进气歧管匹配）。

图2 新型甲醇-汽油灵活燃料系统

该甲醇-汽油灵活燃料系统的特点如下[7]：

1）低温起动和暖机状态使用汽油为燃料，在三元催化器起燃前不喷射甲醇燃料，不产生未燃醇，并控制甲醛的排放；

2）可以根据优化的MAP实时调整燃油比例，在兼顾甲醇替代比例的情况下实现发动机在各种工况下的排放、效率的综合优化；

3）在检测到其中一种燃料处于低液位状态时，可以自动切换到另一种燃料的独立使用状态而无需停车切换；

4）两套完全独立的供油系统，每套燃油系统只需要适应单一燃料的特性，降低了对燃油系统材料的开发难度，有利于成本的控制；

5）该系统可实现汽油和甲醇分别定量喷射，并在进气道内混合。理论上可实现无数种甲醇和汽油混合比例，适应不同工作条件下的需要。

在本课题研究中，为保证发动机的动力性能，在使用混合燃料时，喷入的甲醇量的低热值应等于汽油减少量的低热值，使总的低热值保持不变。选择应用范围较广，且有代表性的2种混合比例，分别表示为M15和M85（即每次喷入汽油的体积减少量分别为15%和85%，而同时喷入相应等低热值的甲醇替代），M0表示93#汽油。改燃甲醇-汽油混合燃料时，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。

2.3 试验方案

为进行甲醇-汽油灵活燃料不同混合比排气噪声试验，建立了如图3所示的试验平台。燃烧分析仪用于采集第一缸的缸压曲线。

图3 排气噪声试验平台

按照发动机《汽车发动机性能试验方法》（GB18297-2001）和《汽车排气消声器总成技术条件和试验方法》（QC/T 631-2009）进行试验。在专业的半消声室内采集排气噪声，传声器的位置距离排气管口0.5 m，与排气管口成45°并指向排气口，试验中带全套排气系统，目的是使测得的噪声值更接近实际状况。采用与发动机匹配的排气系统进行噪声试验，如图4和图5所示。

图4 发动机台架

图5 噪声采集

为保证试验的可对比性，在进行不同甲醇-汽油灵活燃料试验时，要精确控制试验参数，保证相关参数的一致性。发动机进气温度控制在（23±2）℃，试验室温度控制在（25±1）℃，发动机冷却水出口温度控制在（88±2）℃、油底壳温度控制在（115±2）℃。

3 试验结果分析

3.1 外特性试验及分析

1）功率

功率对比如图6所示。从图6可以看出，由于采用了等低热值喷油方式，且甲醇量不多，M15的功率与M0基本相同；而M85的功率在3 500 r/min以下时低于M0，在3 500 r/min以上时高于M0，最大约高2 kW。这是因为在中、低转速时，尤其在转速较低时，甲醇喷入量过多，甲醇的热值低（仅为汽油的一半），燃烧放热量少，且汽化潜热导致缸内温度低，不完全燃烧现象增加。而在高转速时，高比例甲醇有助于燃烧，所以功率比M0略高[11]。

图6 功率

2）排气噪声

噪声对比如图7所示。

图7 排气噪声

从图7可以看出，3 000 r/min以下时，M15的排气噪声与M0基本一致，而在3 000 r/min以上时，M15高于M0，平均高2.0dB（A）；3 500 r/min以下时，M85的排气噪声低于M0，在1～2 dB（A）之间，而在3 500 r/min以上时，M85高于M0，最大高5.5 dB（A）。

3）噪声分析

由噪声理论可知，排气噪声主要由空气噪声和气流摩擦噪声组成[6]。一般情况下，中、低转速时，排气噪声由空气噪声（低频噪声）决定；高转速时，由气流摩擦噪声（高频噪声）决定。

因此，可通过燃烧分析解释中、低转速时的噪声差异。混合气在气缸中燃烧，当排气门打开时，产生压力波，这个压力波在排气管道内传播而形成空气噪声。当管道中气体流速较低时（即低转速时），空气噪声的大小取决于气缸燃烧压力形成的压力波强度[10]。燃烧压力越大，排气噪声越高。以2 000 r/min为例，第一缸的燃烧压力如图8所示。从图8可以看出，M15的最高燃烧压力与M0基本一致，而M85的最高燃烧压力则低于M0约0.9 MPa。所以M85的噪声值低于M0。

图8 缸压曲线

由前面分析可知，高转速时排气流速是影响噪声的重要因素。确保试验条件不变，重复外特性试验，采用耐高温的风速仪测量排气出口的气流速度。试验结果如图9所示。

从图9可以看出，排气流速的变化规律与噪声变化规律类似：3 000 r/min以下时，M15的排气流速低于M0；而在3 000 r/min以上时，则相反，平均高4 m/s。3 500 r/min以下时，M85的排气流速低于M0，而在3 500 r/min以上时，M85高于M0，最大高15 m/s，6 000 r/min时，M85的排气流速最高达125 m/s。

图9 排气流速

3.2 整车道路模拟试验

外特性试验只是发动机试验的很小一部分，为进一步评估发动机燃用甲醇-汽油灵活燃料的排气噪声特性，根据试验规划要求，在台架上模拟汽车在道路行驶（部分路况）时，发动机的排气噪声随运行时间、转速、节气门开度的变化规律，如图10所示。

从图10看出，在多数工况下，节气门开度都是部分开度（60%以下居多），燃用M15和M85，排气噪声值总体上低于M0，最大下降10 dB（A）。这说明在道路部分负荷条件下燃用甲醇-汽油灵活燃料，能显著降低噪声，减轻环境噪声污染。

图10 道路模拟噪声

4 结论

1）建立了针对基于甲醇-汽油灵活燃料的发动机排气噪声测试平台。

2）研究了不同配比的甲醇-汽油燃料在外特性条件下发动机排气噪声特性，得出了在3 000～3 500 r/min以下时，燃用甲醇-汽油燃料可降低排气噪声。并从燃烧压力和排气流速分析噪声变化的原因。

3）在台架上模拟汽车在道路行驶（部分路况），结果表明，在部分负荷下燃用甲醇-汽油燃料，总体上噪声下降。

4）开展发动机燃用甲醇-汽油灵活燃料的噪声研究，可为甲醇的全面评价提供参考，具有实用价值和现实意义。

1姜立永，李玉峰，刘忠长，等．点燃式甲醇燃料发动机的燃烧特性[J]．内燃机学报，1994，12（3）：244-248

2姜立永，程仲维，刘忠长，等．汽油机的循环变动及其影响因素[J]．内燃机学报，1991，9（4）：294-298

3宋睿智，胡铁刚，刘圣华，等．汽油醇混合燃料发动机冷起动排放特性研究[J]．内燃机学报，2008，26（3）：243-247

4张勇，李红松，刘驿闻，等．甲醇-汽油混合燃料对汽油机性能影响的试验研究[J]．小型内燃机与摩托车，2007，36（4）：21-23

5黎志勤，黎苏．汽车排气系统噪声与消声器设计[M].北京：中国环境科学出版社，1991

6庞剑，谌刚，何华，等．汽车噪声与振动－理论与应用[M].北京：北京理工大学出版社，2006

7齐洪元，严治国，倪计民，等．甲醇灵活混合燃料系统研究[J].内燃机工程，2014，35（5）：82-87

8Osten D W,Sell N J.Methanol-gasoline blends:blending agents to prevent phase separation[J].Fuel,1983,62(3):268-270

9Hirano A,Hon-Nami K,Kunito S,et al.Temperature effect on continuous gasification of microalgal biomass:theoretical yield of methanol production and its energy balance[J].Catalysis Today,1998,45(1-4):399-404

10张凡．甲醇汽油混合燃料发动机燃烧与排放特性研究[D]．北京：清华大学，2010

11赵新峰．甲醇汽油发动机的燃烧及其性能研究[D]．天津：天津大学，2011

Test Research on Exhaust Noise for Gasoline Engine Combusting Methanol-Gasoline Flexible Fuel

Huang Hua1,2,Cui Guoxu3,Shi Bingfeng4,Chen Zhenbin1,5
1-School of Auto Studies,Tongji University(Shanghai,201804,China)2-Suzhou Inti Automotive Technology Co.,Ltd.3-China Automotive Technology&Research Center4-College of Engineering Science and Technology,Shanghai Ocean University5-College of Mechanical and Electrical Engineering,Hainan University

Under the condition that electronic control gasoline engine parameters aren't made any adjustment,and calibration based on pure gasoline fuel control strategy,the test combusting methanolgasoline flexible fuel is carried out.It researches the influence on the exhaust noise characteristics by combusting flexible fuel(M15 and M85)through an engine.The test result under wide throttle open shows that in middle and high speed,exhaust noise of using methanol-gasoline fuel is higher than gasoline(M0), and the higher the methanol proportion,the heavier the exhaust noise is.At low speed,the condition is opposite.Through the curve of cylinder pressure and exhaust speed,it illustrates the reason of noise change. At last it researches noise change through simulating car driving on road at test bench,and the result shows that the noise decreases overall.

Methanol,Gasoline,Flexible fuel,Exhaust noise,Test

TK411+.6

A

2095-8234（2016）05-0065-05

2016-07-24）

黄华（1979-），男，博士，工程师，主要研究方向为发动机及整车性能、排放和噪声。