E20乙醇汽油对发动机性能和标定的影响分析

关键词：乙醇汽油；发动机性能；排放油耗，标定优化

中图分类号： TK46 文献标识码：A

0引言

乙醇来源广泛，与汽油混合后作为车用燃料，能够减少石油消耗。乙醇辛烷值和含氧量比汽油高，在汽油中混合20% 的乙醇可以提高汽油的抗爆性，并且能使燃料在气缸中更充分地燃烧，减少CO和HC排放污染物[1]。

乙醇的化学式为CHOH，可溶于水。乙醇可以单独作为汽车燃料，也可以和汽油或柴油形成混合燃料。乙醇和普通汽油按照一定比例混合形成的燃料是一种新型替代能源，由于乙醇的可再生性，常温下呈现液态具有良好的可以运输性，乙醇汽油作为清洁能源逐步得到重视。我国由于耕地少，每年需要大量进口粮食，能用于生产乙醇的原料不足，国内目前只有少部分地区使用了10%的乙醇汽油。但在美国、巴西和印度等耕地资源丰富的地区乙醇汽油的使用已经十分普遍[2]。

目前美国也是乙醇产量和消费最多的国家，美国90%以上的地区使用10%的乙醇汽油。而巴西由于耕地资源更为丰富，虽然乙醇汽油的使用较美国晚，但是乙醇汽油推广迅速，目前40%的汽车以纯乙醇做燃料，其余的则以22％（体积比）的燃料乙醇和78％的车用汽油的混合物做燃料。印度则制定了到 2025开始，要求新生产车辆能够兼容20% 的乙醇掺混比例，到2030年印度计划全部地区采用20% 乙醇比例的汽油。

随着国内汽车出口到巴西和印度等地，为了解决车辆燃油适应性和法律合规性，需要研究20%乙醇汽油对发动机动力性能、排放、油耗的影响，开发适应于20%乙醇汽油的发动机。本文通过研究20%乙醇汽油对台架试验中的发动机性能、油耗和气态污染物排放量，并探究了如何优化发动机控制参数以适应20%乙醇汽油。

1试验设备和燃油性能

本次试验所用发动机为一台直列4缸、多点喷射增压发动机，排量为1.49L、压缩比为12.5，最大功率为114kW，最大扭矩为280N·m。性能台架设备采用AVL发动机性能台架包括电力测功机、油耗分析仪、中冷控制器、排气分析仪以及进排气压力温度传感器，可精确测量发动机转速、扭矩、油耗和排放，并能根据试验要求精确调整进气温度。

设备校准和测试方法依照GB/T18297-2001《汽车发动机性能试验方法》，在发动机工作转速区间内，依次改变转速进行发动机性能和排放指标测试，转速区间为1200～5600r/min，间隔为200r/min。全负荷特性测试是使用油门信号模拟器控制节气门开度为100%，万有工况测试时通过信号模拟器控制节气门开度观察缸压值，在同一个转速点上，间隔0.1MPa缸压记录一次数据。这样能够全面分析发动机性能和排放的差异。

试验中，汽油采用92号燃油（记为E0）和基于92号汽油调制的20%乙醇汽油（记为E20）。E20的主要理化性质为：氧含量为7.24%；碳含量为79.45%；氢含量为13.31%；空燃比为13.40；乙醇含量（体积）为19.97%；辛烷值为98.9；燃烧热值为35.73MJ/kg。而E0的主要理化性质为：氧含量为2.00%；碳含量为84.00%；氢含量为14.00%；空燃比为14.7；乙醇含量（体积）为0；辛烷值为92.0；燃烧热值为44.90MJ/kg。

2E20与E0发动机性能对比

2.1全负荷对比

2.1.1扭矩和功率

图1和图2所示分别为使用E20汽油和92号汽油，发动机全负荷工况下不同转速点的扭矩和功率。可以看出，使用E20汽油时的功率和扭矩都比92号油低。在不同的工况下使用2种燃油产生的功率和扭矩差值不同，功率大致相差1～3kW，扭矩相差3～10N·m。这是因为发动机运行工况相同时，喷射压力和喷射脉宽相同，则喷入气缸的燃油量相同，由于E20汽油燃烧热值低于E0，燃烧相同体积的燃料，E20释放出热量低于E0，使缸内膨胀压力减少，导致发动机动力性能下降。

在不改变发动机控制参数的情况下，发动机一般采用空燃比闭环控制。在相同的节气门开度、相同的增压器废气阀开度下，发动机进气量相同。由于E20比E0含有更多的氧元素，在空燃比闭环控制的情况下，为了保持过量空气系数在1.0附近，系统会自动调整增压器废气阀减少进气量，这进一步降低发动机动力性能。

2.1.2排气温度

全负荷的排气温度对于增压发动机是一个重要的控制参数，当排气温度超过一定的阈值后可能烧毁后处理系统中的零件，如排气歧管、氧传感器和催化器。发动机控制系统需要实时监控排气温度，当排气温度超过预设阈值时，通过加浓混合气，过量的喷燃油，通过燃油蒸发时汽化吸热可以降低缸内燃烧温度，同时使缸内处于缺氧状态，导致燃烧不完全，降低了燃烧效率，不完全燃烧会产生大量的CO和THC，CO和THC比热容大，可以进一步吸热，从而使排气温度降低，实现排气温度的控制和后处理系统零部件保护功能[3]。

由于排气温度和喷油量相关，为对比两种燃油对应的排气温度，需要更改发动机控制参数，激活空燃比开环控制模式，在开环控制模式下喷油量是根据进气量计算的，可以保证相同节气门和增压废气阀开度的情况下喷油量相同，然后通过传感器测试排气温度，才得到准确的排温对比数据。如图3所示，开环控制模式下运行全负荷运行在不同转速点上测量得到的排气温度，可以看出E20的排气温度比E0平均低10℃左右。

2.1.3全负荷爆震边界

根据燃油理化性质参数可知，E0的辛烷值为92，E20的辛烷值为98，E20的抗爆性更好[4]。爆震边界的试验方法为：固定转速和节气门开度，通过调整点火提交角，直到台架测试系统监测到爆震，这时的点火角称为爆震边界[5]。在实际标定过程中，爆震边界用于设置点火提前角最大限值。如图4所示，E20汽油的爆震边界点火提前角比E0大4°左右。虽然在相同的发动机控制参数下，E20由于热值低，动力性能低于E0。但是由于其高抗爆性，在实际整车使用过程中，可以通过加大点火提前角的方式弥补动力损失，因此E20燃油比E0具有更大的储备扭矩。

2.2排放对比

汽油机的排放气体污染物主要包含碳氢化物THC、氮氧化物NO、碳氧化物CO。由于当前的排放法规对CO的要求较低，所以我们主要关注THC和NO。HC的生成主要受缸内壁面淬熄和不完全燃烧的影响，从图5可以看，处在低于4000r/min的工况下THC随着转速增加而减少，当转速大于4000r/min后，发动机处于加浓状态THC明显增加。在整个发动机运行工况下，使用E20燃油的发动机THC排放比E0燃油低10%左右，这是由于E20乙醇汽油氧量高于E0，燃烧过程更充分，抑制了THC的产生。

由图5也可以看出，E20的NO明显高于E0。NO排放物主要包含NO和少量的NO，NO在高温富氧的状态下会大量产生，氧气充足的情况下高温持续时间越长，NO生成的量越大。由于增加20%乙醇后的汽油含氧量增加，能够促进缸内燃烧和火焰扩散，缸内局部处于富氧高温状态的概率更大，所以NOx排放物更多。

另外可以看到，随着转速的增加NOx的排放量迅速降低，这是因为高转速的工况下，发动机会因为排气温度过高而进入加浓保护模式，使过量空气系数变小。这导致缸内汽油燃烧不完全，缸内处于少氧，低温状态抑制了NO的产生。由于E20汽油产生的THC更少，而NOx更多。所以当E20燃油在整车上应用时，为了符合排放法规，应该注意调整三元催化器贵金属配比来提高NOx催化效率。

2.3燃油经济性对比

衡量发动机经济性的主要指标为燃油消耗率（BSFC，BrakespecificFuelConsumption），BSFC是功率和燃油消耗量的比值，物理意义为单位燃油能量输出的功率大小。试验按照GB/T18297-2001《汽车发动机性能试验方法》等国家标准对发动机用E20和E0分别测试万有特性工况，进行对比研究[6]。结果如图6所示，可以看到整个万有特性工况点上，E20油耗率比E0高7%左右。这是由于E20汽油热值比较低，E0热值为44.00kJ/kg，E20热值为35.73KJ/kg，为了保证相同的动力输出，所以需要更多的喷油量。同时可以看出，E20的油耗率高效区间比E0大40%左右，这是由于E20含氧量高，缸内燃烧扩散情况好，在更大的工况范围内能实现高效燃烧。

3E20乙醇燃油下的标定优化

根据燃油物化分析和性能台架测试可知，在汽油中增加20%的乙醇可提高抗爆性，理论空燃比变小，排气温度降低。对发动机标定数据的调整应该包括以下几点。

（1）基本喷油量调整和校验，确保开环控制中过量空气系数，同时确保闭环过程中燃油自学习值在规定范围内。

（2）排温模型调整和校验，确保模型排温能覆盖实际排温。

（3）爆震边界点火角的重新设置，使发动机在E20燃油下能有更好的动力性能。

（4）爆震和早燃验证。为了保证发动机在整车寿命中不被异常损坏，需要在发动机台架上对爆震和早燃进行充分的验证，要求在全负荷工况下连续运行至少200h以上不会发生爆震。另外由于早燃一般发生在大负荷低转速的工况下，所以早燃仅仅需要验证全负荷下转速1000～2000r/min的工况，保证45000个燃烧循环中早燃次数不能大于3次。

由于E20的高抗爆性，在全负荷动力性能标定过程中可以通过优化增压器废弃阀的开度，提高进气量从而提高发动机在E20汽油下的动力性能参数。如图7所示，通过减少增压废气阀开度，从而提高发动机扭矩和功率。试验表明，虽然E20燃油热值低在不调整标定的情况下动力性能比E0燃油低，但是由于其优秀的抗爆性能，通过标定优化的动力性能远高于E0燃油。

4结束语

本研究通过试验对比发现，在不改变发动机控制参数的情况下，使用E20时，发动机的动力性能（功率和扭矩）降低2%～4%，排气温度均低于E0汽油。而使用E20时发动机爆震边界点火角大于E0燃油，抗爆性高。由于E20含氧量高，缸内燃烧情况好，燃烧不完全的概率低，缸内处于富氧状态，所以其排放污染物中THC明显低于E0，而NOx明显大于E0。在整车应用中，只能通过加强后处理系统对NOx的催化能力来保证负荷整车排放法规。由于E20辛烷值高于E0，抗爆性能好，所以在发动机标定参数调整中，可以通过调整点火提前角和提高进气增压能力，在满足爆震的情况下大幅提升发动机性能。优化标定参数后可以看到，发动机性能有明显提升，同时发动机在全负荷工况下无明显爆震和早燃。

作者简介：

谷加佩，本科，工程师，研究方向为发动机标定。