发动机燃用含水乙醇汽油的排气噪声及排放特性试验研究

2018-09-05李菲陈振斌邓小康谢荣富

车用发动机 2018年4期

李菲，陈振斌，邓小康，谢荣富

(海南大学机电工程学院，海南海口 570228)

随着社会的发展，化石能源短缺和环境污染是亟待解决的两大问题。发展清洁替代燃料如二甲醚、天然气、乙醇汽油等，受到越来越多的关注。其中无水乙醇已经成为替代化石燃料的成熟燃料，但生产体积分数为99.2%无水乙醇需要进行蒸馏、脱水等一系列复杂的过程，脱水设备和脱水能耗都较高，增加了额外成本[1]；另外无水乙醇容易吸收空气中的水分，导致分层[2]。含水乙醇生产过程中能省略脱水过程，蒸馏后直接得到95%左右的含水乙醇，可降低成本和减小对水分的敏感度。

目前，对含水乙醇汽油的研究集中在含水乙醇汽油的稳定性、动力性、经济性和排放性方面。刘赛武等[3]基于中心组合设计，以相分离温度为稳定性衡量标准, 探索了乳化剂等影响因子对其稳定性的影响，最后得到了E10W的最优配方并对其进行了试验验证，结果表明最优配方具有可行性。刘训标等[4]通过实验探究了多种表面活性剂对含水乙醇汽油混合燃料的乳化增溶作用, 配制出的复合表面活性剂稳定性较好。表面活性剂的加入使得乙醇汽油混合物中即使含水也不易分层，也能保持较长的稳定期。刘少华等[5]在汽油机上进行了燃用E10含水乙醇汽油混合燃料与原机的性能对比试验研究，试验结果表明：发动机燃用E10含水乙醇汽油混合燃料后动力性略低于原机，燃油消耗率比原机有所上升；CO，HC 排放在整个负荷范围内基本比原机低，NOx排放在低负荷时有所改善。

随着汽车保有量的不断增加，汽车排气噪声和废气排放对环境的影响越来越大。因此本研究在不改变发动机参数的情况下，在电喷汽油机上燃用优化配方的含水乙醇汽油E20W，对其排气噪声、排气温度和排放特性进行研究，旨在为替代燃料的推广和环境评价提供理论基础。

1 试验装置及试验材料

1.1 试验装置

试验所用发动机为直列四缸、自然吸气、电控燃油喷射汽油机。发动机主要技术参数：排量为1.5 L，缸径为75 mm，行程为84.4 mm，压缩比为10.5，标定功率为80 kW(6 000 r/min)，最大扭矩为135 N·m(4 500 r/min)。发动机台架试验主要测试设备如下：GW160电涡流测功机，用来控制发动机转速和扭矩；FC2210Z智能油耗仪；AVL Digas 4000五组分气体分析仪，用来测量HC，CO，CO2和NOx排放；LMS Scadas噪声数据采集系统，用来进行排气噪声测量。

1.2 试验燃料

试验用汽油为市售93号汽油(国四标准)，记为E0。含水乙醇汽油(记为E20W)配方选用陈振斌等[6]优化的制备配方，各成分体积分数为汽油79.05%，含水乙醇20%，复配乳化剂0.74%(其中Span80 0.636%，Tween40 0.104%)，助溶剂蓖麻油0.21%。E20W的HLB值为5.89。将两种燃油分别用于发动机台架试验进行对比试验，试验环境的大气温度35 ℃，相对湿度69%，大气压力100 kPa。工况点选用100%负荷，1 200～5 500 r/min，通过外特性试验，对比两种燃料的排气噪声和废气排放特性。试验过程中对原机不作任何调整，整个试验过程中发动机运行平稳。汽油和含水乙醇的理化性质见表1。从表1中可以看出，含水乙醇汽化潜热992.1 kJ/kg，是汽油的3.2倍，然而低热值只有25 MJ/kg，远低于汽油的热值。

表1 汽油和含水乙醇的理化性质

2 试验结果及分析

2.1 发动机性能

2.1.1功率

图1示出在外特性工况下，发动机燃用E0和E20W两种燃料在不同转速下的功率变化。从图1可以看出，燃用E0和E20W两种燃料的动力性相差不大。分析认为：在喷射时间和喷射燃料体积相同的情况下，由于E20W的低热值低于E0，燃烧相同体积的燃料，E20W放出的热量低于E0，发动机动力性下降。但是由于E20W的汽化潜热要远高于E0，有利于提高进气密度[5]，从而提高充气效率；另外，由于含水乙醇自身含氧，有助于燃烧。综合起来，发动机燃用两种燃料动力性相差不大。

图1 燃用两种燃料在不同转速下的功率比较

2.1.2有效燃油消耗率

图2示出在外特性工况下，发动机燃用E0和E20W两种燃料在不同转速下的有效燃油消耗率变化。从图2可以看出，燃用E20W在大部分转速下的有效燃油消耗率要高于燃用汽油。分析认为：在发动机参数没有作任何改变的情况下，电喷汽油机的ECU依然按照原机正常工况的空燃比进行参数控制，E20W的理论空燃比要小于E0，同时ECU也会根据氧传感器的反馈增加循环供油量。由于E20W的热值低，导致混合燃料的工质膨胀功减少。此外，循环供油量的增加可以弥补含水乙醇汽油热值较低对功率输出的影响，但增加了发动机燃油消耗。

图2 燃用两种燃料在不同转速下的有效燃油消耗率比较

2.2 排气噪声

排气噪声是发动机中最主要的噪声，当排气门打开时，高温高压排气气流以很高的速度冲向排气系统，产生高强度的噪声[8]。图3示出在外特性工况下，发动机燃用E0和E20W两种燃料在不同转速下的排气噪声变化。从图3可以看出，随着发动机转速的不断增加，二者的排气噪声也在不断增加。在低转速下，燃用E20W含水乙醇汽油产生的排气噪声要低于E0，最大降低7.4% ；在中、高转速，二者产生的排气噪声相差不大。分析认为：发动机在低转速工况时，排气噪声的主要成分为空气噪声，而当发动机排气系统不作任何改变时，缸内燃烧压力峰值产生的压力波决定了空气噪声值[9]。因此，缸内燃烧压力峰值越大，空气噪声越大，进而产生的排气噪声就越大。在低转速时，由于E20W的高汽化潜热和高含水量，使得缸内温度较低，导致点火延迟期变长；同时由于含水乙醇热值低，燃烧产生的热量少[10-11]，因此缸内燃烧压力峰值不如燃用E0，产生的排气噪声也低。但是随着发动机转速增加，缸内燃烧温度增加，同时缸内湍流强度增加，含水乙醇汽油的排气噪声稍高于纯汽油，但二者相差不大。下面通过排气背压来分析。

图3 燃用两种燃料在不同转速下的排气噪声比较

图4示出两种燃料在不同转速下的排气背压变化。从图中可以看出，在低转速时E0产生的排气背压要高，随着发动机转速的增加，二者排气背压相差不大。分析认为在发动机高转速时，排气噪声主要由气流摩擦噪声决定[8]。发动机转速增加时，气流速度增加，增大了气流与壁面的摩擦，气流传到尾管时发出很大的噪声；另外排气背压越大，转化的动能越大，排气流速越大，气流摩擦就越大，排气门打开时排气噪声变大[12]；同时，随着转速增加，缸内燃烧温度增加，含水乙醇能够加快火焰传播，有助于燃烧充分，使得缸内燃烧压力峰值变大，排气噪声稍高于纯汽油，但二者排气噪声相差不大。

图4 燃用两种燃料在不同转速下的排气背压比较

2.3 排气温度

图5示出在外特性工况下，发动机燃用E0和E20W两种燃料在不同转速下的排气温度变化。从图5可以看出，随着发动机转速增加，排气温度也在增加，并且燃用E20W的排气温度要比E0高，平均增加5.3%。分析认为：随着发动机转速的增加，缸内燃烧温度增加，使得发动机热损失降低，因此二者的排气温度都增加；虽然E20W的热值较低，但其空燃比较低，汽化潜热较大，进气密度增加[5]，为了保证和燃用汽油时有相同功率输出，E20W的燃油消耗上升，过多的热量会随着废气排出，造成排气温度增加；并且含水乙醇层流火焰燃烧速度为0.42 m/s[7]，汽油层流火焰燃烧速度为0.33 m/s[13]，含水乙醇的火焰传播速度要更快，有助于燃烧完全，使得热量输出更高。因此，燃用E20W的排气温度更高。

图5 燃用两种燃料在不同转速下的排气温度比较

2.4 排放特性

2.4.1HC排放

HC的生成主要受缸内壁面淬熄和不完全燃烧的影响。图6示出在外特性工况下，发动机燃用E0和E20W两种燃料的HC排放变化。从图6可以看出，随着发动机转速增加，燃用两种燃料的HC排放趋势大致相同，随着转速增加，HC排放都呈现大幅下降的趋势。在整个发动机转速下，燃用E20W比燃用E0产生的HC排放要低，平均降低10.4%。分析认为：随着发动机转速的增加，燃烧速度也随着增加，同时缸内燃烧温度也在不断增加，燃用E20W能够使燃料和空气更好地混合，燃烧反应完全，从而降低HC的生成；同时E20W自身含氧，使得局部不完全燃烧的现象减少，降低因淬熄效应引起的HC生成，有助于充分燃烧。因此燃用E20W能够降低HC排放。

图6 燃用两种燃料在不同转速下的HC排放比较

2.4.2NOx排放

NOx排放主要是NO，另有少量的NO2，高温NO是车用发动机NO排放的主要来源。基于Zeldovich理论，NO生成的三要素包括高温、富氧和高温持续时间[14]。高温NO生成机理如下：

(1)

(2)

(3)

在氧含量充足的情况下，温度越高，高温反应持续时间越长，NO生成量就越大[5]。

图7示出在外特性工况下，发动机燃用E0和E20W两种燃料的NOx排放变化。从图7可以看出，随着发动机转速增加，燃用两种燃料的NOx排放趋势大致相同，呈现先降低后增加再降低的趋势。分析认为：1) 在低转速时，E20W汽化潜热较E0高，汽化时能吸收大量的热，因此能降低进气温度和缸内燃烧温度，因此NOx排放呈现降低的趋势；2) 由于发动机转速的增加，燃烧过程所占的时间减小，因此缸内反应物在高温条件下燃烧持续的时间变短了，因此氮气的氧化受到抑制，从而NOx的生成量明显降低。于是燃用两种燃料的NOx排放明显降低。

燃用E20W产生的NOx排放要明显高于E0。由于E20W含氧，能够促进缸内燃烧反应；同时乙醇含有—OH, 有助于加快火焰传播速度，使得缸内压力增加[13]，二者使得缸内反应温度增加；另外，全负荷工况下，节气门全开，但E20W自身含氧，增加了混合气的含氧量，为缸内燃烧提供富氧条件，进一步促进了氮气的氧化，增加了NOx的生成量。

图7 燃用两种燃料在不同转速下的NOx排放比较

2.4.3CO排放

CO是燃烧不完全的产物，主要受缸内温度和混合气浓度的影响。图8示出在外特性工况下，发动机燃用E0和E20W两种燃料的CO排放变化。从图8可以看出，随着发动机转速增加，燃用两种燃料的CO排放趋势大致相同，呈现先增加后降低再增加的趋势，燃用E20W生成的CO排放要比燃用E0大幅降低，平均降低33.6%。分析认为：1) 随转速增加，E20W混合燃料自身含氧使得缸内混合气混合均匀，乙醇能够加快火焰传播燃烧和燃烧速度，使得燃烧更加充分；同时，缸内的高温使得水蒸气分解为—H和—OH，可以氧化部分CO[15]；2) 在高转速时，气缸内湍流强度过强，对火焰传播过程中有吹熄的作用[14]，此时混合气为浓混合气，造成燃烧不完全，使得CO排放增加，但E20W含氧量高，能够改善燃烧，有助于燃烧充分，因此CO排放比燃用E0时低。

图8 燃用两种燃料在不同转速下的CO排放比较

2.4.4CO2排放

图9示出在外特性工况下，发动机燃用E0和E20W两种燃料的CO2排放变化。从图9可以看出，随着发动机转速增加，燃用两种燃料的CO2排放趋势大致相同，呈现先降低后增加再降低的趋势。相较于E0，燃用E20W生成的CO2平均增加了20.5%。分析认为：在发动机整个转速下，由于E20W含有高比例的氧，促进燃烧的同时，将CO更多的氧化为CO2，同时高温下含水乙醇汽油中的水能够与CO发生水煤气反应，促进CO朝CO2生成的方向转变。因此燃用E20W生成的CO2更多。