汽油機燃用甲醇-汽油靈活燃料的排氣噪聲試驗研究

黃 華 崔國旭 施兵峰 陳振斌

（1-同濟大學汽車學院上海2018042-蘇州沿泰汽車技術有限公司3-中國汽車技術研究中心4-上海海洋大學工程學院5-海南大學機電工程學院）

·振動·噪聲·

汽油機燃用甲醇-汽油靈活燃料的排氣噪聲試驗研究

黃 華1，2崔國旭3施兵峰4陳振斌1，5

（1-同濟大學汽車學院上海2018042-蘇州沿泰汽車技術有限公司3-中國汽車技術研究中心4-上海海洋大學工程學院5-海南大學機電工程學院）

在電控汽油機參數未作任何調整的情況下，采用基于純汽油標定的燃油控制策略，研究了某款車用汽油機燃用甲醇-汽油靈活燃料（M15和M85）對排氣噪聲特性的影響。結果表明：節氣門全開時燃用甲醇-汽油混合燃料，在中、高轉速時，排氣噪聲高于純汽油（M0），且甲醇比例越高，排氣噪聲越大；在低轉速時，則相反。同時，通過缸壓曲線和排氣流速，分析了噪聲變化的原因。最后在臺架上模擬整車在道路上運行時的噪聲變化情況，總體上噪聲下降。

甲醇汽油靈活燃料排氣噪聲試驗

引言

甲醇作為一種可再生含氧燃料，具有辛烷值高、抗爆性好、含氧量高、燃燒速度快等特點，是良好的汽車替代燃料。同時，在標準狀態下甲醇是無色澄清液體，有刺激性氣味，可溶于水，也可混溶于醇、醚等多種有機溶劑。國內外學者針對甲醇-汽油混合燃料進行了深入研究，包括燃料的經濟性、動力性、排放性等，并深入剖析了甲醇-汽油混合的可替代性。

吉林大學的姜立永，劉忠長等通過對比發動機燃用甲醇和汽油的燃燒過程，得出甲醇發動機的滯燃期和主燃期都比汽油機短，循環變動率比汽油機低，燃燒過程迅速而穩定，因此甲醇發動機的熱效率比汽油機高，可以獲得很好的經濟性[1-2]；西安交通大學的宋睿智等人通過分別選用93#汽油以及M10、M20和M30甲醇-汽油混合燃料，開展了不同環境溫度下混合燃料對冷起動及后怠速暖機過程排放特性的研究。結果表明，在各個環境溫度下冷起動過程的HC和CO排放均降低；在相同的環境溫度下，M30降低幅度最為明顯[3]。重慶工學院的張勇等人通過分別選用93#汽油以及M10、M15和M20開展發動機的經濟性研究。結果表明，燃用混合燃料時，發動機的功率與燃用汽油時基本相當，但經濟性有所改善，熱效率明顯提高[4]。

汽車排氣噪聲作為交通噪聲最重要的噪聲污染源，逐漸成為城市環境噪聲的主要來源[5-6]。然而，當前關于甲醇-汽油混合燃料對排氣噪聲的影響研究較少。因此以甲醇-汽油混合燃料為基礎，研究可替代能源的噪聲問題，為可替代性能源的推廣應用和評價提供更全面的參考。

基于以上分析，本文開展了甲醇-汽油靈活燃料的排氣噪聲研究，研究不同配合比例對排氣噪聲的影響，為環境影響評價提供參考。

1 排氣噪聲產生機理

發動機工作時，甲醇-汽油混合氣體極短時間在缸內產生高溫高壓燃燒。排氣門打開后，燃燒所產生的廢氣在排氣管中急劇流動，受活塞往復運動和排氣門開閉的影響，排氣氣流呈脈動形式在排氣管中流動。由于氣流急劇流動，產生了強烈的排氣噪聲，根據排氣過程產生噪聲機理，排氣噪聲的主要成分包括基頻排氣噪聲、渦流噪聲、氣柱共振噪聲等[6]。

1.1 基頻排氣噪聲

在汽油機排氣門開啟時，具有較高壓力的氣體從氣缸內噴出，氣流沖擊到排氣道內氣門附近的氣體上，使其產生壓力巨變而形成壓力波。壓力波隨排氣門的周期性開閉呈周期性變化，從而產生周期性的低頻噪聲，基頻頻率為：

式中：ft為基頻噪聲的頻率；z為氣缸數；n為發動機轉速；τ為沖程數。

1.2 氣柱共振噪聲

排氣管中的空氣柱，在周期性排氣噪聲的激發下，因發生共振而產生空氣柱共振噪聲。

1.3 其他噪聲

排氣管內壁面摩擦噪聲、紊流噪聲、噴注噪聲及沖擊噪聲等都是高頻噪聲，并且隨著氣流流速的增加而增大。

通過噪聲機理分析，可為噪聲試驗研究提供理論參考。

2 甲醇-汽油靈活燃料試驗

2.1 汽油機參數

本研究采用的發動機是某公司提供的型號為1.5VCT的直列4缸、自然吸氣、四沖程直噴汽油發動機，其主要技術參數見表1。

表1 汽油機主要技術參數

2.2 甲醇－汽油靈活燃料控制系統

傳統的甲醇-汽油靈活燃料系統是對已配好的多種混合燃油組份進行識別，通過ECU對不同工況的要求，調整噴油量和點火等參數，以達到發動機的動力性、經濟性和排放等方面的平衡。如圖1所示。

圖1 傳統甲醇-汽油靈活燃料系統

該系統存在不足之處：可選擇的混合比例較少；如果都是高比例甲醇-汽油混合燃料，在發動機冷啟動和怠速情況下，存在啟動困難和非常規排放（如甲醛等）較大等問題；甲醇含水量、非芳烴含量和甲醇純度均會影響甲醇與汽油的互溶性[7-10]。

為解決以上問題，提出一套新型甲醇-汽油靈活燃料系統，其特點是在傳統的發動機供油系統再加裝一套甲醇供油系統，如圖2所示。具體是在進氣道和進氣歧管之間加100 mm長直管（與進氣道和進氣歧管匹配）。

圖2 新型甲醇-汽油靈活燃料系統

該甲醇-汽油靈活燃料系統的特點如下[7]：

1）低溫起動和暖機狀態使用汽油為燃料，在三元催化器起燃前不噴射甲醇燃料，不產生未燃醇，并控制甲醛的排放；

2）可以根據優化的MAP實時調整燃油比例，在兼顧甲醇替代比例的情況下實現發動機在各種工況下的排放、效率的綜合優化；

3）在檢測到其中一種燃料處于低液位狀態時，可以自動切換到另一種燃料的獨立使用狀態而無需停車切換；

4）兩套完全獨立的供油系統，每套燃油系統只需要適應單一燃料的特性，降低了對燃油系統材料的開發難度，有利于成本的控制；

5）該系統可實現汽油和甲醇分別定量噴射，并在進氣道內混合。理論上可實現無數種甲醇和汽油混合比例，適應不同工作條件下的需要。

在本課題研究中，為保證發動機的動力性能，在使用混合燃料時，噴入的甲醇量的低熱值應等于汽油減少量的低熱值，使總的低熱值保持不變。選擇應用范圍較廣，且有代表性的2種混合比例，分別表示為M15和M85（即每次噴入汽油的體積減少量分別為15%和85%，而同時噴入相應等低熱值的甲醇替代），M0表示93#汽油。改燃甲醇-汽油混合燃料時，使用原機的ECU，采用基于純汽油標定的燃油控制策略，按燃用汽油的空燃比參數進行控制。

2.3 試驗方案

為進行甲醇-汽油靈活燃料不同混合比排氣噪聲試驗，建立了如圖3所示的試驗平臺。燃燒分析儀用于采集第一缸的缸壓曲線。

圖3 排氣噪聲試驗平臺

按照發動機《汽車發動機性能試驗方法》（GB18297-2001）和《汽車排氣消聲器總成技術條件和試驗方法》（QC/T 631-2009）進行試驗。在專業的半消聲室內采集排氣噪聲，傳聲器的位置距離排氣管口0.5 m，與排氣管口成45°并指向排氣口，試驗中帶全套排氣系統，目的是使測得的噪聲值更接近實際狀況。采用與發動機匹配的排氣系統進行噪聲試驗，如圖4和圖5所示。

圖4 發動機臺架

圖5 噪聲采集

為保證試驗的可對比性，在進行不同甲醇-汽油靈活燃料試驗時，要精確控制試驗參數，保證相關參數的一致性。發動機進氣溫度控制在（23±2）℃，試驗室溫度控制在（25±1）℃，發動機冷卻水出口溫度控制在（88±2）℃、油底殼溫度控制在（115±2）℃。

3 試驗結果分析

3.1 外特性試驗及分析

1）功率

功率對比如圖6所示。從圖6可以看出，由于采用了等低熱值噴油方式，且甲醇量不多，M15的功率與M0基本相同；而M85的功率在3 500 r/min以下時低于M0，在3 500 r/min以上時高于M0，最大約高2 kW。這是因為在中、低轉速時，尤其在轉速較低時，甲醇噴入量過多，甲醇的熱值低（僅為汽油的一半），燃燒放熱量少，且汽化潛熱導致缸內溫度低，不完全燃燒現象增加。而在高轉速時，高比例甲醇有助于燃燒，所以功率比M0略高[11]。

圖6 功率

2）排氣噪聲

噪聲對比如圖7所示。

圖7 排氣噪聲

從圖7可以看出，3 000 r/min以下時，M15的排氣噪聲與M0基本一致，而在3 000 r/min以上時，M15高于M0，平均高2.0dB（A）；3 500 r/min以下時，M85的排氣噪聲低于M0，在1～2 dB（A）之間，而在3 500 r/min以上時，M85高于M0，最大高5.5 dB（A）。

3）噪聲分析

由噪聲理論可知，排氣噪聲主要由空氣噪聲和氣流摩擦噪聲組成[6]。一般情況下，中、低轉速時，排氣噪聲由空氣噪聲（低頻噪聲）決定；高轉速時，由氣流摩擦噪聲（高頻噪聲）決定。

因此，可通過燃燒分析解釋中、低轉速時的噪聲差異。混合氣在氣缸中燃燒，當排氣門打開時，產生壓力波，這個壓力波在排氣管道內傳播而形成空氣噪聲。當管道中氣體流速較低時（即低轉速時），空氣噪聲的大小取決于氣缸燃燒壓力形成的壓力波強度[10]。燃燒壓力越大，排氣噪聲越高。以2 000 r/min為例，第一缸的燃燒壓力如圖8所示。從圖8可以看出，M15的最高燃燒壓力與M0基本一致，而M85的最高燃燒壓力則低于M0約0.9 MPa。所以M85的噪聲值低于M0。

圖8 缸壓曲線

由前面分析可知，高轉速時排氣流速是影響噪聲的重要因素。確保試驗條件不變，重復外特性試驗，采用耐高溫的風速儀測量排氣出口的氣流速度。試驗結果如圖9所示。

從圖9可以看出，排氣流速的變化規律與噪聲變化規律類似：3 000 r/min以下時，M15的排氣流速低于M0；而在3 000 r/min以上時，則相反，平均高4 m/s。3 500 r/min以下時，M85的排氣流速低于M0，而在3 500 r/min以上時，M85高于M0，最大高15 m/s，6 000 r/min時，M85的排氣流速最高達125 m/s。

圖9 排氣流速

3.2 整車道路模擬試驗

外特性試驗只是發動機試驗的很小一部分，為進一步評估發動機燃用甲醇-汽油靈活燃料的排氣噪聲特性，根據試驗規劃要求，在臺架上模擬汽車在道路行駛（部分路況）時，發動機的排氣噪聲隨運行時間、轉速、節氣門開度的變化規律，如圖10所示。

從圖10看出，在多數工況下，節氣門開度都是部分開度（60%以下居多），燃用M15和M85，排氣噪聲值總體上低于M0，最大下降10 dB（A）。這說明在道路部分負荷條件下燃用甲醇-汽油靈活燃料，能顯著降低噪聲，減輕環境噪聲污染。

圖10 道路模擬噪聲

4 結論

1）建立了針對基于甲醇-汽油靈活燃料的發動機排氣噪聲測試平臺。

2）研究了不同配比的甲醇-汽油燃料在外特性條件下發動機排氣噪聲特性，得出了在3 000～3 500 r/min以下時，燃用甲醇-汽油燃料可降低排氣噪聲。并從燃燒壓力和排氣流速分析噪聲變化的原因。

3）在臺架上模擬汽車在道路行駛（部分路況），結果表明，在部分負荷下燃用甲醇-汽油燃料，總體上噪聲下降。

4）開展發動機燃用甲醇-汽油靈活燃料的噪聲研究，可為甲醇的全面評價提供參考，具有實用價值和現實意義。

1姜立永，李玉峰，劉忠長，等．點燃式甲醇燃料發動機的燃燒特性[J]．內燃機學報，1994，12（3）：244-248

2姜立永，程仲維，劉忠長，等．汽油機的循環變動及其影響因素[J]．內燃機學報，1991，9（4）：294-298

3宋睿智，胡鐵剛，劉圣華，等．汽油醇混合燃料發動機冷起動排放特性研究[J]．內燃機學報，2008，26（3）：243-247

4張勇，李紅松，劉驛聞，等．甲醇-汽油混合燃料對汽油機性能影響的試驗研究[J]．小型內燃機與摩托車，2007，36（4）：21-23

5黎志勤，黎蘇．汽車排氣系統噪聲與消聲器設計[M].北京：中國環境科學出版社，1991

6龐劍，諶剛，何華，等．汽車噪聲與振動－理論與應用[M].北京：北京理工大學出版社，2006

7齊洪元，嚴治國，倪計民，等．甲醇靈活混合燃料系統研究[J].內燃機工程，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張凡．甲醇汽油混合燃料發動機燃燒與排放特性研究[D]．北京：清華大學，2010

11趙新峰．甲醇汽油發動機的燃燒及其性能研究[D]．天津：天津大學，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）

黃華（1979-），男，博士，工程師，主要研究方向為發動機及整車性能、排放和噪聲。