發動機燃用含水乙醇汽油的排氣噪聲及排放特性試驗研究

李菲，陳振斌，鄧小康，謝榮富

(海南大學機電工程學院，海南 海口 570228)

隨著社會的發展，化石能源短缺和環境污染是亟待解決的兩大問題。發展清潔替代燃料如二甲醚、天然氣、乙醇汽油等，受到越來越多的關注。其中無水乙醇已經成為替代化石燃料的成熟燃料，但生產體積分數為99.2%無水乙醇需要進行蒸餾、脫水等一系列復雜的過程，脫水設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，導致分層[2]。含水乙醇生產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定性、動力性、經濟性和排放性方面。劉賽武等[3]基于中心組合設計，以相分離溫度為穩定性衡量標準, 探索了乳化劑等影響因子對其穩定性的影響，最后得到了E10W的最優配方并對其進行了試驗驗證，結果表明最優配方具有可行性。劉訓標等[4]通過實驗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, 配制出的復合表面活性劑穩定性較好。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，也能保持較長的穩定期。劉少華等[5]在汽油機上進行了燃用E10含水乙醇汽油混合燃料與原機的性能對比試驗研究，試驗結果表明：發動機燃用E10含水乙醇汽油混合燃料后動力性略低于原機，燃油消耗率比原機有所上升；CO，HC 排放在整個負荷范圍內基本比原機低，NOx排放在低負荷時有所改善。

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境的影響越來越大。因此本研究在不改變發動機參數的情況下，在電噴汽油機上燃用優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行研究，旨在為替代燃料的推廣和環境評價提供理論基礎。

1 試驗裝置及試驗材料

1.1 試驗裝置

試驗所用發動機為直列四缸、自然吸氣、電控燃油噴射汽油機。發動機主要技術參數：排量為1.5 L，缸徑為75 mm，行程為84.4 mm，壓縮比為10.5，標定功率為80 kW(6 000 r/min)，最大扭矩為135 N·m(4 500 r/min)。發動機臺架試驗主要測試設備如下：GW160電渦流測功機，用來控制發動機轉速和扭矩；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噪聲數據采集系統，用來進行排氣噪聲測量。

1.2 試驗燃料

試驗用汽油為市售93號汽油(國四標準)，記為E0。含水乙醇汽油(記為E20W)配方選用陳振斌等[6]優化的制備配方，各成分體積分數為汽油79.05%，含水乙醇20%，復配乳化劑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動機臺架試驗進行對比試驗，試驗環境的大氣溫度35 ℃，相對濕度69%，大氣壓力100 kPa。工況點選用100%負荷，1 200～5 500 r/min，通過外特性試驗，對比兩種燃料的排氣噪聲和廢氣排放特性。試驗過程中對原機不作任何調整，整個試驗過程中發動機運行平穩。汽油和含水乙醇的理化性質見表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，遠低于汽油的熱值。

表1 汽油和含水乙醇的理化性質

2 試驗結果及分析

2.1 發動機性能

2.1.1功率

圖1示出在外特性工況下，發動機燃用E0和E20W兩種燃料在不同轉速下的功率變化。從圖1可以看出，燃用E0和E20W兩種燃料的動力性相差不大。分析認為：在噴射時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，發動機動力性下降。但是由于E20W的汽化潛熱要遠高于E0，有利于提高進氣密度[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，發動機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，發動機燃用E0和E20W兩種燃料在不同轉速下的有效燃油消耗率變化。從圖2可以看出，燃用E20W在大部分轉速下的有效燃油消耗率要高于燃用汽油。分析認為：在發動機參數沒有作任何改變的情況下，電噴汽油機的ECU依然按照原機正常工況的空燃比進行參數控制，E20W的理論空燃比要小于E0，同時ECU也會根據氧傳感器的反饋增加循環供油量。由于E20W的熱值低，導致混合燃料的工質膨脹功減少。此外，循環供油量的增加可以彌補含水乙醇汽油熱值較低對功率輸出的影響，但增加了發動機燃油消耗。

圖2 燃用兩種燃料在不同轉速下的有效燃油消耗率比較

2.2 排氣噪聲

排氣噪聲是發動機中最主要的噪聲，當排氣門打開時，高溫高壓排氣氣流以很高的速度沖向排氣系統，產生高強度的噪聲[8]。圖3示出在外特性工況下，發動機燃用E0和E20W兩種燃料在不同轉速下的排氣噪聲變化。從圖3可以看出，隨著發動機轉速的不斷增加，二者的排氣噪聲也在不斷增加。在低轉速下，燃用E20W含水乙醇汽油產生的排氣噪聲要低于E0，最大降低7.4% ；在中、高轉速，二者產生的排氣噪聲相差不大。分析認為：發動機在低轉速工況時，排氣噪聲的主要成分為空氣噪聲，而當發動機排氣系統不作任何改變時，缸內燃燒壓力峰值產生的壓力波決定了空氣噪聲值[9]。因此，缸內燃燒壓力峰值越大，空氣噪聲越大，進而產生的排氣噪聲就越大。在低轉速時，由于E20W的高汽化潛熱和高含水量，使得缸內溫度較低，導致點火延遲期變長；同時由于含水乙醇熱值低，燃燒產生的熱量少[10-11]，因此缸內燃燒壓力峰值不如燃用E0，產生的排氣噪聲也低。但是隨著發動機轉速增加，缸內燃燒溫度增加，同時缸內湍流強度增加，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速下的排氣噪聲比較

圖4示出兩種燃料在不同轉速下的排氣背壓變化。從圖中可以看出，在低轉速時E0產生的排氣背壓要高，隨著發動機轉速的增加，二者排氣背壓相差不大。分析認為在發動機高轉速時，排氣噪聲主要由氣流摩擦噪聲決定[8]。發動機轉速增加時，氣流速度增加，增大了氣流與壁面的摩擦，氣流傳到尾管時發出很大的噪聲；另外排氣背壓越大，轉化的動能越大，排氣流速越大，氣流摩擦就越大，排氣門打開時排氣噪聲變大[12]；同時，隨著轉速增加，缸內燃燒溫度增加，含水乙醇能夠加快火焰傳播，有助于燃燒充分，使得缸內燃燒壓力峰值變大，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，發動機燃用E0和E20W兩種燃料在不同轉速下的排氣溫度變化。從圖5可以看出，隨著發動機轉速增加，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%。分析認為：隨著發動機轉速的增加，缸內燃燒溫度增加，使得發動機熱損失降低，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，進氣密度增加[5]，為了保證和燃用汽油時有相同功率輸出，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]，含水乙醇的火焰傳播速度要更快，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，發動機燃用E0和E20W兩種燃料的HC排放變化。從圖6可以看出，隨著發動機轉速增加，燃用兩種燃料的HC排放趨勢大致相同，隨著轉速增加，HC排放都呈現大幅下降的趨勢。在整個發動機轉速下，燃用E20W比燃用E0產生的HC排放要低，平均降低10.4%。分析認為：隨著發動機轉速的增加，燃燒速度也隨著增加，同時缸內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，燃燒反應完全，從而降低HC的生成；同時E20W自身含氧，使得局部不完全燃燒的現象減少，降低因淬熄效應引起的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是車用發動機NO排放的主要來源。基于Zeldovich理論，NO生成的三要素包括高溫、富氧和高溫持續時間[14]。高溫NO生成機理如下：

(1)

(2)

(3)

在氧含量充足的情況下，溫度越高，高溫反應持續時間越長，NO生成量就越大[5]。

圖7示出在外特性工況下，發動機燃用E0和E20W兩種燃料的NOx排放變化。從圖7可以看出，隨著發動機轉速增加，燃用兩種燃料的NOx排放趨勢大致相同，呈現先降低后增加再降低的趨勢。分析認為：1) 在低轉速時，E20W汽化潛熱較E0高，汽化時能吸收大量的熱，因此能降低進氣溫度和缸內燃燒溫度，因此NOx排放呈現降低的趨勢；2) 由于發動機轉速的增加，燃燒過程所占的時間減小，因此缸內反應物在高溫條件下燃燒持續的時間變短了，因此氮氣的氧化受到抑制，從而NOx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產生的NOx排放要明顯高于E0。由于E20W含氧，能夠促進缸內燃燒反應；同時乙醇含有—OH, 有助于加快火焰傳播速度，使得缸內壓力增加[13]，二者使得缸內反應溫度增加；另外，全負荷工況下，節氣門全開，但E20W自身含氧，增加了混合氣的含氧量，為缸內燃燒提供富氧條件，進一步促進了氮氣的氧化，增加了NOx的生成量。

圖7 燃用兩種燃料在不同轉速下的NOx排放比較

2.4.3CO排放

CO是燃燒不完全的產物，主要受缸內溫度和混合氣濃度的影響。圖8示出在外特性工況下，發動機燃用E0和E20W兩種燃料的CO排放變化。從圖8可以看出，隨著發動機轉速增加，燃用兩種燃料的CO排放趨勢大致相同，呈現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%。分析認為：1) 隨轉速增加，E20W混合燃料自身含氧使得缸內混合氣混合均勻，乙醇能夠加快火焰傳播燃燒和燃燒速度，使得燃燒更加充分；同時，缸內的高溫使得水蒸氣分解為—H和—OH，可以氧化部分CO[15]；2) 在高轉速時，氣缸內湍流強度過強，對火焰傳播過程中有吹熄的作用[14]，此時混合氣為濃混合氣，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時低。

圖8 燃用兩種燃料在不同轉速下的CO排放比較

2.4.4CO2排放

圖9示出在外特性工況下，發動機燃用E0和E20W兩種燃料的CO2排放變化。從圖9可以看出，隨著發動機轉速增加，燃用兩種燃料的CO2排放趨勢大致相同，呈現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%。分析認為：在發動機整個轉速下，由于E20W含有高比例的氧，促進燃燒的同時，將CO更多的氧化為CO2，同時高溫下含水乙醇汽油中的水能夠與CO發生水煤氣反應，促進CO朝CO2生成的方向轉變。因此燃用E20W生成的CO2更多。

圖9 燃用兩種燃料在不同轉速下的CO2排放比較

3 結論

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

b) 相較于E0,在低轉速下，燃用E20W產生的排氣噪聲要低于燃用E0，最大降低7.4%； 在中、高轉速時，二者產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。