進氣濕度對重型天然氣發動機影響的試驗研究

張騰，韓文濤，紀常偉，田茂軍，王懷宇，陳龍

(1.濰柴動力股份限公司，山東 濰坊 261061；2.北京工業大學能源與動力工程學院，北京 100124；3.中國汽車工程研究院股份有限公司，重慶 401122；4.中國第一汽車股份有限公司研發總院，吉林 長春 130000)

為了緩解能源危機、改善環境污染以及排放法規升級時間加速的問題，急需為商用車尋找清潔替代能源。當前純電動和燃料電池技術在商用車中的應用受到技術限制，暫時無法大規模推廣應用，而天然氣具有技術成熟、儲量豐富等優勢，可認為是商用車比較理想的替代能源。天然氣發動機普遍采用節氣門前預混合燃燒方式，因此發動機進氣狀態對發動機性能影響非常重要。其中，進氣濕度是一個重要影響參數，進氣成分中水蒸氣的含量直接影響進氣組分中干空氣量，同時對發動機廢氣再循環(Exhaust Gas Recirculation，EGR)產生的較大影響，進而影響到發動機的缸內燃燒和排放狀態。

當前，進氣濕度對發動機的影響研究主要是集中在柴油機上。Arunachalam等[1]研究發現，柴油機進氣加濕可以有效降低NOx排放。Rahai等[2]研究發現，柴油機在采用進氣加濕的技術后，NOx排放可降低50%左右，對發動機可靠性影響較小。石田正弦等[3]研究發現，增加比熱容實現低溫燃燒，可以有效降低NOx排放。張哲巔[4]對CH4在濕空氣中的擴散燃燒性能進行了研究，結果表明，空氣含濕量會影響擴散火焰高度和火焰穩定性。隨著天然氣發動機的廣泛應用，進氣濕度對天然氣發動機的性能影響不可忽略。若使天然氣發動機在不同濕度下保持良好的燃燒狀態和排放性能，有必要分析進氣濕度對天然氣發動機的影響，并根據濕度變化對天然氣發動機進行適應性開發。本研究以滿足國六排放標準的天然氣發動機為研究對象，研究進氣濕度對天然氣發動機性能和排放的影響，為天然氣發動機環境適應性開發提供一定參考。

1 試驗設備與方法

1.1 試驗發動機及設備

試驗發動機為直列6缸增壓中冷天然氣發動機。該天然氣發動機采取節氣門后預混合、電控單點進氣道噴射、理論空燃比+EGR+TWC的技術路線，滿足國Ⅵ排放標準，發動機具體參數見表1。主要測試儀器及型號見表2。排放分析儀的測量原理、精度符合GB 17691—2018的要求。

表1 試驗用發動機參數

表2 主要的測試儀器設備

1.2 試驗方案

試驗采用進氣空調對發動機的進氣濕度進行調節，相對濕度可在10%～90%之間變化，并可將發動機進氣溫度控制在(35±2)℃內。濕度傳感器采用CAN通信，測量精度為±3%。發動機試驗工況選擇100%電子節氣門開度下低速、中速和高速3個試驗工況點，即發動機轉速分別選取800 r/min，1 400 r/min和1 900 r/min，對發動機動力性、經濟性以及排放性能進行相關試驗研究。

試驗過程中，發動機先進行預熱，待發動機運行到正常工況下，通過試驗室進氣空調調節發動機進氣相對濕度，使發動機在穩定的進氣相對濕度下工作。我國幅員廣闊，各地區的濕度相差較大，因此在本試驗中選擇(25±2)%，(35±2)%，(45±2)%，(55±2)%和(65±2)% 5個相對進氣濕度進行研究。

2 試驗結果與分析

2.1 進氣濕度對發動機缸內燃燒的影響

2.1.1 對燃燒壓力和燃燒中心的影響

進氣濕度的變化直接影響發動機進氣中氧含量，進而影響發動機缸內燃燒。圖1示出天然氣發動機在不同工況下最大燃燒壓力和CA50(燃燒中心)受進氣濕度的影響。由圖1可知，天然氣發動機的燃燒壓力隨著進氣濕度的增加而降低，燃燒惡化，燃燒中心CA50推遲，CA50在800 r/min時推遲約7.31%，在1 900 r/min時推遲8.23%。這是因為隨著進氣濕度的增加，進氣氧濃度降低，導致發動機缸內混合氣處于相對較稀薄的狀態，缸內燃燒反應速率下降。另外，當進氣濕度增加后缸內混合物不可燃成分增加，水蒸氣汽化吸收的熱量增加，也在一定程度上降低了發動機缸內火焰的擴散傳播速度，使缸內擴散燃燒階段放熱率明顯降低，缸內燃燒壓力下降，CA50推遲[5]。發動機在高速運行時缸內殘余廢氣系數增加，當進氣濕度增加后，缸內過量空氣系數進一步增大，抑制燃燒火焰的傳播，發動機缸內燃燒愈發不穩定性，導致燃燒CA50推遲相對明顯。

圖1 進氣濕度對發動機缸內燃燒的影響

2.1.2 對缸內點火提前角的影響

爆震是天然氣發動機常見的缸內異常燃燒問題之一，抑制爆震一般采取推遲點火提前角措施。發動機進氣濕度的變化給發動機缸內燃燒帶來了一定的影響，因此進氣濕度耦合點火提前角可以改善缸內燃燒狀態。為了使發動機處于最佳狀態工作，點火提前角應根據進氣濕度進行調整，圖2示出天然氣發動機在不同工況下點火提前角與進氣濕度的變化曲線。由圖2可知，進氣濕度由25%增加到65%時，點火提前角在800 r/min時推遲了17.64%，在1 900 r/min時推遲了21.85%。這主要是因為進氣濕度增加可以使發動機缸內溫度降低，燃燒壓力下降，從而抑制發動機爆震[6]。在發動機實際標定時，需要結合發動進氣濕度調整點火提前角，改善天然氣發動機抗爆性，實現改善燃燒狀態的目的。

圖2 進氣濕度對發動機點火提前角的影響

2.2 發動機動力性分析

當前天然氣發動機普遍使用EGR技術，而進氣濕度變化很容易改變發動機的EGR率，進而對發動機的動力性產生影響。圖3示出天然氣發動機在不同進氣濕度下扭矩的變化。由圖3可知，發動機扭矩隨著濕度增加逐漸降低，中低速時變化更明顯，進氣濕度由25%增加到65%時，扭矩在800 r/min時降低了4.62%，在1 900 r/min降低了3.11%。這主要是因為，發動機在中低速運行的時候，隨著進氣濕度的增加，發動機缸內混合氣的水分占比增加，導致EGR率大于標定值，缸內燃燒減緩，發動機扭矩降低；而發動機在高速運行時，EGR率設置較高，發動機進氣濕度的增加對EGR率的影響較小，但是發動機進氣需求量增加，而氧含量降低、過量空氣系數降低，導致發動機扭矩下降[7]。另外，發動機在中低速運行時，缸內燃燒狀態受EGR率影響較大，EGR率過高極易導致滯燃期延長，缸內燃燒壓力降低，進而導致發動機扭矩降低。

圖3 發動機進氣濕度對扭矩的影響

2.3 發動機經濟性分析

圖4示出天然氣發動機在不同工況下經濟性的變化。由圖4可知，發動機經濟性隨著進氣濕度的增加而惡化，進氣濕度由25%增加到65%時，發動機氣耗率在800 r/min時增加了3.45%，在1 900 r/min增加了2.32%。這主要是隨著進氣濕度的增加，后燃期延長，導致發動機經濟性惡化；在發動機轉速和其他條件不變時，燃氣供給量是根據發動機進氣量計算得出的，當進氣濕度增加后，由發動機電控單元計算得出，發動機進氣量增加需要增加對應的燃氣噴射量，因此造成天然氣發動機經濟性惡化[8]。發動機進氣濕度增加改變了EGR率，造成燃燒惡化，而發動機在中低速運行時殘余廢氣系數較高，發動機經濟性惡化更加明顯。

圖4 進氣濕度對發動機氣耗率的影響

2.4 發動機排放性分析

2.4.1 排氣溫度分析

當前天然氣發動機排放需要后處理系統進行控制，而發動機后處理系統對排氣溫度有著近乎苛刻的要求。由圖5可知，隨著進氣濕度的增加，發動機排氣溫度逐漸上升，進氣濕度由25%增加到65%時，排氣溫度在800 r/min時增加了4.87%，在1 900 r/min增加了5.69%。這主要是因為，隨著進氣濕度的增加，CA50燃燒中心相位滯后，燃燒滯燃期延長，缸內燃燒溫度降低；而發動機在相同工況下每做功循環進入缸內的燃氣量相同，即發動機在每做功循環燃料燃燒釋放的總熱量相同，當缸內燃燒溫度降低時，排氣溫度升高。另外，進氣濕度增加使缸內EGR率上升，導致缸內容易失火，發動機排氣溫度也呈現上升趨勢。

圖5 進氣濕度對排氣溫度的影響

2.4.2 NOx排放分析

天然氣發動機的NOx排放來源主要為熱力型NOx，其生成區域主要集中在高溫區。而發動機進氣濕度增加后使發動機缸內燃燒溫度降低，主要是因為：1)進入發動機缸內的水分增加，在一定程度上降低了發動機缸內混合氣濃度，同時EGR系統進一步降低缸內混合氣濃度，導致缸內燃燒減緩、燃燒溫度下降；2)水的比熱容大于空氣的比熱容，可以在一定程度上增加缸內燃燒混合氣的比熱容，燃燒產生的廢氣可以進一步吸收缸內混合氣的熱量，進而降低缸內燃燒溫度；3)由于進氣濕度的增加，發動機缸內不可燃氣體的占比近一步增加，導致缸內高溫產物擴散速率下降，火焰傳播速率和燃燒速率放緩，燃燒相位滯后，發動機缸內溫度進一步下降；4)發動機進氣濕度增加，水分子自身的裂解吸熱反應，也可以降低發動機缸內溫度；同時由于水分子的熱對流系數大于空氣，使得發動機缸內溫度和氣缸壁傳熱增加，也使發動機缸內溫度降低[9-10]。綜上分析，發動機進氣濕度增加后會降低缸內燃燒溫度，進而影響到了NOx的生成。圖6示出天然氣發動機NOx排放隨著進氣濕度的變化，進氣濕度由25%增加到65%時，發動機NOx排放在800 r/min時降低了8.67%，在1 900 r/min降低了25.32%。

圖6 進氣濕度對NOx排放的影響

由圖6可知，隨著發動機進氣濕度的增加，發動機NOx排放呈現出下降的趨勢。發動機進氣濕度增加后，缸內溫度下降，同時氧濃度下降，破壞了NOx的生成條件，使NOx排放進一步降低。進氣濕度增加，可以在一定程度上稀釋發動機進氣中N2和O2的濃度，有利于緩解發動機缸內局部富氧狀態，也可降低發動機NOx排放。此外，水分子在缸內高溫環境下容易裂解生成H基和OH基團，而H基極容易與O自由基反應，在一定程度上抑制了NOx的生成[8-11]。另外，隨著發動機進氣濕度的增加，發動機排氣溫度上升，后處理系統工作效率提升，也在一定程度上降低了NOx排放。

2.4.3 HC和CO排放分析

對于天然氣發動機來說，HC和CO排放是另外兩種重要的排放污染物。圖7示出HC和CO排放隨著發動機進氣濕度的變化。

圖7 進氣濕度對HC和CO排放的影響

由圖7可知，HC和CO排放值隨著進氣濕度的增加而增加。進氣濕度增加后，發動機缸內溫度降低，使得天然氣發動機的壁淬冷和燃燒室縫隙效應加強，造成HC排放升高；另外由于水蒸氣進入缸內參與燃燒，導致缸內混合氣壓力上升，使得未完全燃燒的天然氣通過活塞與活塞環、氣缸壁間隙漏出，在一定程度上促進HC排放升高[11]。當發動機在中低速運行時，發動機轉速較低不利于缸內混合氣流動，使得HC排放在中低速時增高更明顯。對于CO排放，進氣濕度增加后，缸內混合氣氧濃度降低，造成缸內混合氣不能充分完全燃燒，特別是發動機在中低速運行時缸內混合氣混合均勻度較差，極易造成CO排放升高。

3 結論

a)隨著發動機進氣濕度的增加，天然氣發動機缸內燃燒惡化，燃燒壓力降低，燃燒相位CA50推遲，調整點火提前角，可以改善燃燒狀態、降低爆震風險；

b)隨著進氣濕度的增加，發動機輸出扭矩降低，經濟性惡化；在發動機小負荷運行時，進氣濕度的增加使得缸內EGR率上升，燃燒持續期延長，造成發動機經濟性惡化、發動機輸出扭矩下降；而發動機在中高負荷工況運行時，發動機進氣量上升，使得過量空氣系數下降，引起天然氣氣耗增加，發動機扭矩下降；

c)NOx排放受進氣濕度影響較大，且隨著進氣濕度的增加，尾氣中NOx排放降低，HC和CO排放量呈現上升趨勢，對HC和CO排放的影響相對較小。