發(fā)動機(jī)燃用含水乙醇汽油的排氣噪聲及排放特性試驗(yàn)研究

李菲，陳振斌，鄧小康，謝榮富

(海南大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，海南 ?？?570228)

隨著社會的發(fā)展，化石能源短缺和環(huán)境污染是亟待解決的兩大問題。發(fā)展清潔替代燃料如二甲醚、天然氣、乙醇汽油等，受到越來越多的關(guān)注。其中無水乙醇已經(jīng)成為替代化石燃料的成熟燃料，但生產(chǎn)體積分?jǐn)?shù)為99.2%無水乙醇需要進(jìn)行蒸餾、脫水等一系列復(fù)雜的過程，脫水設(shè)備和脫水能耗都較高，增加了額外成本[1]；另外無水乙醇容易吸收空氣中的水分，導(dǎo)致分層[2]。含水乙醇生產(chǎn)過程中能省略脫水過程，蒸餾后直接得到95%左右的含水乙醇，可降低成本和減小對水分的敏感度。

目前，對含水乙醇汽油的研究集中在含水乙醇汽油的穩(wěn)定性、動力性、經(jīng)濟(jì)性和排放性方面。劉賽武等[3]基于中心組合設(shè)計(jì)，以相分離溫度為穩(wěn)定性衡量標(biāo)準(zhǔn), 探索了乳化劑等影響因子對其穩(wěn)定性的影響，最后得到了E10W的最優(yōu)配方并對其進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明最優(yōu)配方具有可行性。劉訓(xùn)標(biāo)等[4]通過實(shí)驗(yàn)探究了多種表面活性劑對含水乙醇汽油混合燃料的乳化增溶作用, 配制出的復(fù)合表面活性劑穩(wěn)定性較好。表面活性劑的加入使得乙醇汽油混合物中即使含水也不易分層，也能保持較長的穩(wěn)定期。劉少華等[5]在汽油機(jī)上進(jìn)行了燃用E10含水乙醇汽油混合燃料與原機(jī)的性能對比試驗(yàn)研究，試驗(yàn)結(jié)果表明：發(fā)動機(jī)燃用E10含水乙醇汽油混合燃料后動力性略低于原機(jī)，燃油消耗率比原機(jī)有所上升；CO，HC 排放在整個(gè)負(fù)荷范圍內(nèi)基本比原機(jī)低，NOx排放在低負(fù)荷時(shí)有所改善。

隨著汽車保有量的不斷增加，汽車排氣噪聲和廢氣排放對環(huán)境的影響越來越大。因此本研究在不改變發(fā)動機(jī)參數(shù)的情況下，在電噴汽油機(jī)上燃用優(yōu)化配方的含水乙醇汽油E20W，對其排氣噪聲、排氣溫度和排放特性進(jìn)行研究，旨在為替代燃料的推廣和環(huán)境評價(jià)提供理論基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)材料

1.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)所用發(fā)動機(jī)為直列四缸、自然吸氣、電控燃油噴射汽油機(jī)。發(fā)動機(jī)主要技術(shù)參數(shù)：排量為1.5 L，缸徑為75 mm，行程為84.4 mm，壓縮比為10.5，標(biāo)定功率為80 kW(6 000 r/min)，最大扭矩為135 N·m(4 500 r/min)。發(fā)動機(jī)臺架試驗(yàn)主要測試設(shè)備如下：GW160電渦流測功機(jī)，用來控制發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速和扭矩；FC2210Z智能油耗儀；AVL Digas 4000五組分氣體分析儀，用來測量HC，CO，CO2和NOx排放；LMS Scadas噪聲數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，用來進(jìn)行排氣噪聲測量。

1.2 試驗(yàn)燃料

試驗(yàn)用汽油為市售93號汽油(國四標(biāo)準(zhǔn))，記為E0。含水乙醇汽油(記為E20W)配方選用陳振斌等[6]優(yōu)化的制備配方，各成分體積分?jǐn)?shù)為汽油79.05%，含水乙醇20%，復(fù)配乳化劑0.74%(其中Span80 0.636%，Tween40 0.104%)，助溶劑蓖麻油0.21%。E20W的HLB值為5.89。將兩種燃油分別用于發(fā)動機(jī)臺架試驗(yàn)進(jìn)行對比試驗(yàn)，試驗(yàn)環(huán)境的大氣溫度35 ℃，相對濕度69%，大氣壓力100 kPa。工況點(diǎn)選用100%負(fù)荷，1 200～5 500 r/min，通過外特性試驗(yàn)，對比兩種燃料的排氣噪聲和廢氣排放特性。試驗(yàn)過程中對原機(jī)不作任何調(diào)整，整個(gè)試驗(yàn)過程中發(fā)動機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)。汽油和含水乙醇的理化性質(zhì)見表1。從表1中可以看出，含水乙醇汽化潛熱992.1 kJ/kg，是汽油的3.2倍，然而低熱值只有25 MJ/kg，遠(yuǎn)低于汽油的熱值。

表1 汽油和含水乙醇的理化性質(zhì)

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 發(fā)動機(jī)性能

2.1.1功率

圖1示出在外特性工況下，發(fā)動機(jī)燃用E0和E20W兩種燃料在不同轉(zhuǎn)速下的功率變化。從圖1可以看出，燃用E0和E20W兩種燃料的動力性相差不大。分析認(rèn)為：在噴射時(shí)間和噴射燃料體積相同的情況下，由于E20W的低熱值低于E0，燃燒相同體積的燃料，E20W放出的熱量低于E0，發(fā)動機(jī)動力性下降。但是由于E20W的汽化潛熱要遠(yuǎn)高于E0，有利于提高進(jìn)氣密度[5]，從而提高充氣效率；另外，由于含水乙醇自身含氧，有助于燃燒。綜合起來，發(fā)動機(jī)燃用兩種燃料動力性相差不大。

圖1 燃用兩種燃料在不同轉(zhuǎn)速下的功率比較

2.1.2有效燃油消耗率

圖2示出在外特性工況下，發(fā)動機(jī)燃用E0和E20W兩種燃料在不同轉(zhuǎn)速下的有效燃油消耗率變化。從圖2可以看出，燃用E20W在大部分轉(zhuǎn)速下的有效燃油消耗率要高于燃用汽油。分析認(rèn)為：在發(fā)動機(jī)參數(shù)沒有作任何改變的情況下，電噴汽油機(jī)的ECU依然按照原機(jī)正常工況的空燃比進(jìn)行參數(shù)控制，E20W的理論空燃比要小于E0，同時(shí)ECU也會根據(jù)氧傳感器的反饋增加循環(huán)供油量。由于E20W的熱值低，導(dǎo)致混合燃料的工質(zhì)膨脹功減少。此外，循環(huán)供油量的增加可以彌補(bǔ)含水乙醇汽油熱值較低對功率輸出的影響，但增加了發(fā)動機(jī)燃油消耗。

圖2 燃用兩種燃料在不同轉(zhuǎn)速下的有效燃油消耗率比較

2.2 排氣噪聲

排氣噪聲是發(fā)動機(jī)中最主要的噪聲，當(dāng)排氣門打開時(shí)，高溫高壓排氣氣流以很高的速度沖向排氣系統(tǒng)，產(chǎn)生高強(qiáng)度的噪聲[8]。圖3示出在外特性工況下，發(fā)動機(jī)燃用E0和E20W兩種燃料在不同轉(zhuǎn)速下的排氣噪聲變化。從圖3可以看出，隨著發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的不斷增加，二者的排氣噪聲也在不斷增加。在低轉(zhuǎn)速下，燃用E20W含水乙醇汽油產(chǎn)生的排氣噪聲要低于E0，最大降低7.4% ；在中、高轉(zhuǎn)速，二者產(chǎn)生的排氣噪聲相差不大。分析認(rèn)為：發(fā)動機(jī)在低轉(zhuǎn)速工況時(shí)，排氣噪聲的主要成分為空氣噪聲，而當(dāng)發(fā)動機(jī)排氣系統(tǒng)不作任何改變時(shí)，缸內(nèi)燃燒壓力峰值產(chǎn)生的壓力波決定了空氣噪聲值[9]。因此，缸內(nèi)燃燒壓力峰值越大，空氣噪聲越大，進(jìn)而產(chǎn)生的排氣噪聲就越大。在低轉(zhuǎn)速時(shí)，由于E20W的高汽化潛熱和高含水量，使得缸內(nèi)溫度較低，導(dǎo)致點(diǎn)火延遲期變長；同時(shí)由于含水乙醇熱值低，燃燒產(chǎn)生的熱量少[10-11]，因此缸內(nèi)燃燒壓力峰值不如燃用E0，產(chǎn)生的排氣噪聲也低。但是隨著發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速增加，缸內(nèi)燃燒溫度增加，同時(shí)缸內(nèi)湍流強(qiáng)度增加，含水乙醇汽油的排氣噪聲稍高于純汽油，但二者相差不大。下面通過排氣背壓來分析。

圖3 燃用兩種燃料在不同轉(zhuǎn)速下的排氣噪聲比較

圖4示出兩種燃料在不同轉(zhuǎn)速下的排氣背壓變化。從圖中可以看出，在低轉(zhuǎn)速時(shí)E0產(chǎn)生的排氣背壓要高，隨著發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的增加，二者排氣背壓相差不大。分析認(rèn)為在發(fā)動機(jī)高轉(zhuǎn)速時(shí)，排氣噪聲主要由氣流摩擦噪聲決定[8]。發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速增加時(shí)，氣流速度增加，增大了氣流與壁面的摩擦，氣流傳到尾管時(shí)發(fā)出很大的噪聲；另外排氣背壓越大，轉(zhuǎn)化的動能越大，排氣流速越大，氣流摩擦就越大，排氣門打開時(shí)排氣噪聲變大[12]；同時(shí)，隨著轉(zhuǎn)速增加，缸內(nèi)燃燒溫度增加，含水乙醇能夠加快火焰?zhèn)鞑?，有助于燃燒充分，使得缸?nèi)燃燒壓力峰值變大，排氣噪聲稍高于純汽油，但二者排氣噪聲相差不大。

圖4 燃用兩種燃料在不同轉(zhuǎn)速下的排氣背壓比較

2.3 排氣溫度

圖5示出在外特性工況下，發(fā)動機(jī)燃用E0和E20W兩種燃料在不同轉(zhuǎn)速下的排氣溫度變化。從圖5可以看出，隨著發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速增加，排氣溫度也在增加，并且燃用E20W的排氣溫度要比E0高，平均增加5.3%。分析認(rèn)為：隨著發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的增加，缸內(nèi)燃燒溫度增加，使得發(fā)動機(jī)熱損失降低，因此二者的排氣溫度都增加；雖然E20W的熱值較低，但其空燃比較低，汽化潛熱較大，進(jìn)氣密度增加[5]，為了保證和燃用汽油時(shí)有相同功率輸出，E20W的燃油消耗上升，過多的熱量會隨著廢氣排出，造成排氣溫度增加；并且含水乙醇層流火焰燃燒速度為0.42 m/s[7]，汽油層流火焰燃燒速度為0.33 m/s[13]，含水乙醇的火焰?zhèn)鞑ニ俣纫?，有助于燃燒完全，使得熱量輸出更高。因此，燃用E20W的排氣溫度更高。

圖5 燃用兩種燃料在不同轉(zhuǎn)速下的排氣溫度比較

2.4 排放特性

2.4.1HC排放

HC的生成主要受缸內(nèi)壁面淬熄和不完全燃燒的影響。圖6示出在外特性工況下，發(fā)動機(jī)燃用E0和E20W兩種燃料的HC排放變化。從圖6可以看出，隨著發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速增加，燃用兩種燃料的HC排放趨勢大致相同，隨著轉(zhuǎn)速增加，HC排放都呈現(xiàn)大幅下降的趨勢。在整個(gè)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速下，燃用E20W比燃用E0產(chǎn)生的HC排放要低，平均降低10.4%。分析認(rèn)為：隨著發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的增加，燃燒速度也隨著增加，同時(shí)缸內(nèi)燃燒溫度也在不斷增加，燃用E20W能夠使燃料和空氣更好地混合，燃燒反應(yīng)完全，從而降低HC的生成；同時(shí)E20W自身含氧，使得局部不完全燃燒的現(xiàn)象減少，降低因淬熄效應(yīng)引起的HC生成，有助于充分燃燒。因此燃用E20W能夠降低HC排放。

圖6 燃用兩種燃料在不同轉(zhuǎn)速下的HC排放比較

2.4.2NOx排放

NOx排放主要是NO，另有少量的NO2，高溫NO是車用發(fā)動機(jī)NO排放的主要來源?；赯eldovich理論，NO生成的三要素包括高溫、富氧和高溫持續(xù)時(shí)間[14]。高溫NO生成機(jī)理如下：

(1)

(2)

(3)

在氧含量充足的情況下，溫度越高，高溫反應(yīng)持續(xù)時(shí)間越長，NO生成量就越大[5]。

圖7示出在外特性工況下，發(fā)動機(jī)燃用E0和E20W兩種燃料的NOx排放變化。從圖7可以看出，隨著發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速增加，燃用兩種燃料的NOx排放趨勢大致相同，呈現(xiàn)先降低后增加再降低的趨勢。分析認(rèn)為：1) 在低轉(zhuǎn)速時(shí)，E20W汽化潛熱較E0高，汽化時(shí)能吸收大量的熱，因此能降低進(jìn)氣溫度和缸內(nèi)燃燒溫度，因此NOx排放呈現(xiàn)降低的趨勢；2) 由于發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的增加，燃燒過程所占的時(shí)間減小，因此缸內(nèi)反應(yīng)物在高溫條件下燃燒持續(xù)的時(shí)間變短了，因此氮?dú)獾难趸艿揭种疲瑥亩鳱Ox的生成量明顯降低。于是燃用兩種燃料的NOx排放明顯降低。

燃用E20W產(chǎn)生的NOx排放要明顯高于E0。由于E20W含氧，能夠促進(jìn)缸內(nèi)燃燒反應(yīng)；同時(shí)乙醇含有—OH, 有助于加快火焰?zhèn)鞑ニ俣龋沟酶變?nèi)壓力增加[13]，二者使得缸內(nèi)反應(yīng)溫度增加；另外，全負(fù)荷工況下，節(jié)氣門全開，但E20W自身含氧，增加了混合氣的含氧量，為缸內(nèi)燃燒提供富氧條件，進(jìn)一步促進(jìn)了氮?dú)獾难趸?，增加了NOx的生成量。

圖7 燃用兩種燃料在不同轉(zhuǎn)速下的NOx排放比較

2.4.3CO排放

CO是燃燒不完全的產(chǎn)物，主要受缸內(nèi)溫度和混合氣濃度的影響。圖8示出在外特性工況下，發(fā)動機(jī)燃用E0和E20W兩種燃料的CO排放變化。從圖8可以看出，隨著發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速增加，燃用兩種燃料的CO排放趨勢大致相同，呈現(xiàn)先增加后降低再增加的趨勢，燃用E20W生成的CO排放要比燃用E0大幅降低，平均降低33.6%。分析認(rèn)為：1) 隨轉(zhuǎn)速增加，E20W混合燃料自身含氧使得缸內(nèi)混合氣混合均勻，乙醇能夠加快火焰?zhèn)鞑ト紵腿紵俣?，使得燃燒更加充分；同時(shí)，缸內(nèi)的高溫使得水蒸氣分解為—H和—OH，可以氧化部分CO[15]；2) 在高轉(zhuǎn)速時(shí)，氣缸內(nèi)湍流強(qiáng)度過強(qiáng)，對火焰?zhèn)鞑ミ^程中有吹熄的作用[14]，此時(shí)混合氣為濃混合氣，造成燃燒不完全，使得CO排放增加，但E20W含氧量高，能夠改善燃燒，有助于燃燒充分，因此CO排放比燃用E0時(shí)低。

圖8 燃用兩種燃料在不同轉(zhuǎn)速下的CO排放比較

2.4.4CO2排放

圖9示出在外特性工況下，發(fā)動機(jī)燃用E0和E20W兩種燃料的CO2排放變化。從圖9可以看出，隨著發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速增加，燃用兩種燃料的CO2排放趨勢大致相同，呈現(xiàn)先降低后增加再降低的趨勢。相較于E0，燃用E20W生成的CO2平均增加了20.5%。分析認(rèn)為：在發(fā)動機(jī)整個(gè)轉(zhuǎn)速下，由于E20W含有高比例的氧，促進(jìn)燃燒的同時(shí)，將CO更多的氧化為CO2，同時(shí)高溫下含水乙醇汽油中的水能夠與CO發(fā)生水煤氣反應(yīng)，促進(jìn)CO朝CO2生成的方向轉(zhuǎn)變。因此燃用E20W生成的CO2更多。

圖9 燃用兩種燃料在不同轉(zhuǎn)速下的CO2排放比較

3 結(jié)論

a) 在不改變發(fā)動機(jī)參數(shù)的情況下，E20W可以直接應(yīng)用于該發(fā)動機(jī)，并能起到降低排氣噪聲和減排的作用；

b) 相較于E0,在低轉(zhuǎn)速下，燃用E20W產(chǎn)生的排氣噪聲要低于燃用E0，最大降低7.4%； 在中、高轉(zhuǎn)速時(shí)，二者產(chǎn)生的排氣噪聲相差不大；燃用E20W的排氣溫度要高于燃用E0，平均增加5.3%；

c) 相較于E0，汽油機(jī)燃用E20W可以大幅降低HC和CO排放，分別平均降低10.4%和33.6%；但NOx和CO2排放升高。