不同海拔下天然氣發(fā)動機(jī)的外特性試驗研究

摘要：以一臺13 L滿足國六的天然氣發(fā)動機(jī)為研究對象，利用高原環(huán)境模擬試驗臺架，分析了發(fā)動機(jī)外特性下的動力性和燃油經(jīng)濟(jì)性隨海拔的變化關(guān)系。結(jié)果表明：全負(fù)荷工況下，渦輪轉(zhuǎn)速隨海拔、發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的升高而不斷增加，當(dāng)渦輪轉(zhuǎn)速達(dá)到限制值后增壓效果減弱，吸入氣缸內(nèi)的進(jìn)氣量減少，燃燒惡化。隨著海拔的升高動力性不斷降低，相較于平原地區(qū)，高轉(zhuǎn)速工況下輸出扭矩、功率衰退最高為49.38%；經(jīng)濟(jì)性不斷降低，其中高轉(zhuǎn)速工況下有效燃?xì)庀穆氏噍^平原增加了14.49%。

關(guān)鍵詞：天然氣發(fā)動機(jī)；高原；外特性

中圖分類號：U464 收稿日期：2024-09-25

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2024.12.020

1 前言

隨著環(huán)境污染和能源短缺等問題的日益加重，尋找其他發(fā)動機(jī)替代燃料已經(jīng)成為現(xiàn)階段重要的研究方向。與汽油、柴油相比，天然氣作為新型替代燃料，具有熱效率高、經(jīng)濟(jì)性好、污染物排放低和儲能充足等特點，有望成為發(fā)動機(jī)替代燃料的首選[1]。天然氣發(fā)動機(jī)普遍采用節(jié)氣門前預(yù)混合燃燒方式，因此進(jìn)氣狀態(tài)對發(fā)動機(jī)性能影響非常重要[2]。其中，進(jìn)氣壓力是一個重要的影響參數(shù)，隨著海拔的升高，大氣壓力不斷降低，發(fā)動機(jī)的過量空氣系數(shù)減小，進(jìn)而影響發(fā)動機(jī)缸內(nèi)燃燒和污染物排放[3]。

目前，不同海拔對發(fā)動機(jī)性能的影響研究主要集中在柴油機(jī)上。肖仁鑫等[4]通過對不同海拔下全負(fù)荷、部分負(fù)荷的柴油機(jī)研究發(fā)現(xiàn)，隨著海拔的升高，柴油機(jī)的動力性、燃油經(jīng)濟(jì)性明顯下降，排放性能惡化。雷蕾等[5]研究了不同海拔對柴油機(jī)瞬態(tài)排放的影響，研究表明：隨著海拔的升高，NOx、PM和PN排放均有不同程度的增加，其中，PN在高海拔下排放增長最快。房晟等[6]研究了不同海拔對甲醇-柴油雙燃料發(fā)動機(jī)的燃燒穩(wěn)定性的影響，并發(fā)現(xiàn)海拔的升高，峰值壓力的循環(huán)波動系數(shù)明顯升高，平均指示壓力反而降低。

隨著天然氣發(fā)動機(jī)的廣泛運用，高原環(huán)境對天然氣發(fā)動機(jī)性能的影響不可忽略，因此，開展天然氣發(fā)動機(jī)高原性能試驗研究，有助于后期高原適應(yīng)性的匹配優(yōu)化。

2 測試設(shè)備及試驗方法

2.1 測試設(shè)備

試驗用機(jī)為一臺滿足國六排放法規(guī)的13 L電控多點進(jìn)氣道噴射、直列6缸、增壓中冷天然氣發(fā)動機(jī)，具體技術(shù)參數(shù)如表1所示。主要測試設(shè)備有576 kW電力測功機(jī)、氣耗儀、AVL進(jìn)排氣海拔模擬和排放分析儀等，具體設(shè)備及型號如表2所示。其中，排放分析儀的測量原理、精度符合GB 17691—2018的技術(shù)要求。

2.2 試驗方法

基于中汽研昆明檢驗中心的高原機(jī)動車臺架試驗室，利用AVL進(jìn)排氣海拔模擬系統(tǒng)模擬0～5 000 m對應(yīng)的進(jìn)氣壓力，并將發(fā)動機(jī)進(jìn)氣溫度控制在（23±5）℃之間，進(jìn)氣相對濕度控制在（50±10）%之間，試驗前先核對滿負(fù)荷工況下的發(fā)動機(jī)狀態(tài)，狀態(tài)無誤后，開始試驗并記錄外特性數(shù)據(jù)，對比分析海拔變化對天然氣發(fā)動機(jī)性能輸出的影響。

3 試驗結(jié)果及分析

圖1為全負(fù)荷工況下天然氣發(fā)動機(jī)渦輪轉(zhuǎn)速隨海拔的變化關(guān)系。由圖可知，在進(jìn)行外特性試驗時，平原條件下的渦輪轉(zhuǎn)速最低，熱負(fù)荷最小，使用壽命較長；在低轉(zhuǎn)速工況下，隨著海拔的升高渦輪轉(zhuǎn)速不斷增加，當(dāng)發(fā)動機(jī)運行到高速工況下，渦輪轉(zhuǎn)速逐漸達(dá)到限制值140 000 r/min，為此，在高原高速條件下，增壓器的增壓效果較差，造成吸入氣缸內(nèi)的氣量減少，在供油量不變的情況下，參與燃燒空氣與燃料的比例下降，缸內(nèi)混合物濃度增加，燃燒惡化，缸內(nèi)峰值壓力降低，出現(xiàn)嚴(yán)重的后燃，使得燃燒效率下降，動力性衰退[7]。

圖2為全負(fù)荷工況下天然氣發(fā)動機(jī)進(jìn)氣流量隨海拔的變化關(guān)系。由圖可知，在同一工況下，隨著海拔的不斷升高，進(jìn)入氣缸參與燃燒的進(jìn)氣量顯著降低，當(dāng)發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速運行到高速區(qū)時，進(jìn)氣流量降幅最大，尤其是額定點工況，與平原相比，海拔在3 000 m、4 000 m、5 000 m時的進(jìn)氣流量下降幅分別為17.5%、32.1%和49%；進(jìn)氣流量在海拔2 000 m以下時的差異較小，主要因為平原地區(qū)有足夠的進(jìn)氣充量，缸內(nèi)燃料得以充分燃燒，排氣能量較高，能為增壓器提供足夠的動力；另外，在高海拔地區(qū)，雖然提高轉(zhuǎn)速可以為增壓器提供足夠的排氣能量，但考慮到排氣溫度和增壓器轉(zhuǎn)速限制，導(dǎo)致高原環(huán)境下進(jìn)氣流量嚴(yán)重降低。

3.1 不同海拔對天然氣發(fā)動機(jī)動力性的影響

圖3為全負(fù)荷工況下天然氣發(fā)動機(jī)輸出扭矩和扭矩衰減率隨海拔的變化關(guān)系。由圖可知，在同一工況下，天然氣發(fā)動機(jī)輸出扭矩隨海拔的升高不斷降低，其中發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速越高，動力衰減的越嚴(yán)重；在低速工況下，輸出扭矩差距較小，隨著轉(zhuǎn)速的升高輸出扭矩不斷降低。主要因為在低速工況下，排氣溫度和壓氣機(jī)轉(zhuǎn)速均未超過限制值，進(jìn)氣流量與燃油消耗量差距較少，為此，發(fā)動機(jī)在低速工況下，輸出扭矩受進(jìn)氣壓力影響較小。

在轉(zhuǎn)速為800 r/min的工況下，與平原相比，發(fā)動機(jī)在高原條件下的輸出扭矩衰減率均小于2.5%。隨著轉(zhuǎn)速的升高，發(fā)動機(jī)在高原環(huán)境下輸出扭矩不斷減小，其中，額定轉(zhuǎn)速工況下，發(fā)動機(jī)的扭矩衰減率最高，相比平原，海拔在3 000 m、4 000 m和5 000 m時的衰退幅度最大，分別為21.3%、35.7%和49.38%。主要是因為在高速下，受到增壓器轉(zhuǎn)速和渦后溫度的限制，再加之高原環(huán)境下，大氣壓力較低，進(jìn)入氣缸的新鮮空氣沖量減少，燃燒惡化，進(jìn)而導(dǎo)致發(fā)動機(jī)輸出扭矩迅速降低。

圖4為全負(fù)荷工況下天然氣發(fā)動機(jī)輸出功率隨海拔的變化關(guān)系。由圖可知，隨著轉(zhuǎn)速的升高，高原條件下發(fā)動機(jī)的輸出功率與平原相比顯著降低，其中，海拔越高輸出功率越低。天然氣發(fā)動機(jī)在海拔2 000 m以下，由于大氣壓力相對較高，含氧量充足，在充足的進(jìn)氣量下，缸內(nèi)的混合氣能充分燃燒，做功能力差距較小。隨著海拔的增加，進(jìn)氣壓力進(jìn)一步減小，缸內(nèi)燃燒惡化和受到機(jī)械限制，導(dǎo)致隨著轉(zhuǎn)速的升高，輸出功率顯著降低，尤其是在高速工況下，功率衰減越發(fā)嚴(yán)重。

3.2 不同海拔對天然氣發(fā)動機(jī)經(jīng)濟(jì)性的影響

圖5為全負(fù)荷工況下天然氣發(fā)動機(jī)有效燃?xì)庀穆孰S海拔的變化關(guān)系。由圖可知，隨著海拔的增加，有效燃?xì)庀穆什粩嘣黾?，?jīng)濟(jì)性下降。其中，轉(zhuǎn)速在1 000～1 200 r/min之間時，該款天然氣發(fā)動機(jī)燃?xì)饨?jīng)濟(jì)性最好。隨著轉(zhuǎn)速的升高，有效燃?xì)庀穆什粩嘣黾?，在額定點工況下，有效燃?xì)庀穆首畲?，與平原相比，發(fā)動機(jī)在4 000 m和5 000 m的海拔下，有效燃?xì)庀穆史謩e增加了7.4%和14.49%。主要是因為高海拔地區(qū)，進(jìn)氣壓力、含氧量和進(jìn)氣量較小，導(dǎo)致缸內(nèi)不能充分燃燒，經(jīng)濟(jì)性下降。

綜上所述，天然氣發(fā)動機(jī)在高原環(huán)境下原機(jī)動力性會出現(xiàn)較大的動力損失，為了使發(fā)動機(jī)有充足的動力輸出，給出如下的高原標(biāo)定優(yōu)化方向：

a.對發(fā)動機(jī)低、中轉(zhuǎn)速區(qū)進(jìn)行增壓器性能標(biāo)定優(yōu)化，或者匹配增壓性更好的兩級增壓，使其發(fā)動機(jī)在中速、高速區(qū)增壓壓力更大，進(jìn)氣流量相較平原損失降低，進(jìn)而有效改善重型天然氣發(fā)動機(jī)在高原環(huán)境動力下降較為嚴(yán)重的問題[8]。

b.進(jìn)行不同海拔下發(fā)動機(jī)的噴射提前角和點火提前角標(biāo)定優(yōu)化，使其天然氣與進(jìn)氣有更多的時間充分混合，促進(jìn)缸內(nèi)燃?xì)獬浞秩紵?，進(jìn)而改善高原環(huán)境下天然氣發(fā)動機(jī)的動力性和經(jīng)濟(jì)性[9]。

c.進(jìn)行不同海拔下噴油MAP的標(biāo)定優(yōu)化，使其不同工況下缸內(nèi)天然氣燃燒熱效率最佳。

4 結(jié)語

a.在全負(fù)荷工況下，隨著海拔、發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的升高增壓器轉(zhuǎn)速不斷增加，當(dāng)增壓器轉(zhuǎn)速達(dá)到限制值后，增壓效果減弱，進(jìn)而造成進(jìn)氣流量嚴(yán)重減少。

b.在全負(fù)荷工況下，隨著海拔的升高，天然氣發(fā)動機(jī)的動力性不斷降低，在低轉(zhuǎn)速區(qū)，扭矩、功率衰減率在0.79%～17.96%之間，然而在高速區(qū)，扭矩、功率衰減率則可達(dá)1.42%～49.38%之間。

c.在全負(fù)荷工況下，隨著海拔的升高，天然氣發(fā)動機(jī)的有效燃?xì)庀穆什粩嘣黾?，其中，中間轉(zhuǎn)速區(qū)燃?xì)庀穆首畹?，高轉(zhuǎn)速區(qū)的燃?xì)庀穆首罡撸啾绕皆黾恿?4.49%。

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作者簡介：

鄭永明，男，1983年生，高級工程師，研究方向為內(nèi)燃機(jī)檢驗檢測。