不同海拔下天然氣發動機的外特性試驗研究

摘要：以一臺13 L滿足國六的天然氣發動機為研究對象，利用高原環境模擬試驗臺架，分析了發動機外特性下的動力性和燃油經濟性隨海拔的變化關系。結果表明：全負荷工況下，渦輪轉速隨海拔、發動機轉速的升高而不斷增加，當渦輪轉速達到限制值后增壓效果減弱，吸入氣缸內的進氣量減少，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，高轉速工況下輸出扭矩、功率衰退最高為49.38%；經濟性不斷降低，其中高轉速工況下有效燃氣消耗率相較平原增加了14.49%。

關鍵詞：天然氣發動機；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

隨著環境污染和能源短缺等問題的日益加重，尋找其他發動機替代燃料已經成為現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、經濟性好、污染物排放低和儲能充足等特點，有望成為發動機替代燃料的首選[1]。天然氣發動機普遍采用節氣門前預混合燃燒方式，因此進氣狀態對發動機性能影響非常重要[2]。其中，進氣壓力是一個重要的影響參數，隨著海拔的升高，大氣壓力不斷降低，發動機的過量空氣系數減小，進而影響發動機缸內燃燒和污染物排放[3]。

目前，不同海拔對發動機性能的影響研究主要集中在柴油機上。肖仁鑫等[4]通過對不同海拔下全負荷、部分負荷的柴油機研究發現，隨著海拔的升高，柴油機的動力性、燃油經濟性明顯下降，排放性能惡化。雷蕾等[5]研究了不同海拔對柴油機瞬態排放的影響，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-柴油雙燃料發動機的燃燒穩定性的影響，并發現海拔的升高，峰值壓力的循環波動系數明顯升高，平均指示壓力反而降低。

隨著天然氣發動機的廣泛運用，高原環境對天然氣發動機性能的影響不可忽略，因此，開展天然氣發動機高原性能試驗研究，有助于后期高原適應性的匹配優化。

2 測試設備及試驗方法

2.1 測試設備

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

2.2 試驗方法

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

3 試驗結果及分析

圖1為全負荷工況下天然氣發動機渦輪轉速隨海拔的變化關系。由圖可知，在進行外特性試驗時，平原條件下的渦輪轉速最低，熱負荷最小，使用壽命較長；在低轉速工況下，隨著海拔的升高渦輪轉速不斷增加，當發動機運行到高速工況下，渦輪轉速逐漸達到限制值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，缸內混合物濃度增加，燃燒惡化，缸內峰值壓力降低，出現嚴重的后燃，使得燃燒效率下降，動力性衰退[7]。

圖2為全負荷工況下天然氣發動機進氣流量隨海拔的變化關系。由圖可知，在同一工況下，隨著海拔的不斷升高，進入氣缸參與燃燒的進氣量顯著降低，當發動機轉速運行到高速區時，進氣流量降幅最大，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時的進氣流量下降幅分別為17.5%、32.1%和49%；進氣流量在海拔2 000 m以下時的差異較小，主要因為平原地區有足夠的進氣充量，缸內燃料得以充分燃燒，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，雖然提高轉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速限制，導致高原環境下進氣流量嚴重降低。

3.1 不同海拔對天然氣發動機動力性的影響

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

在轉速為800 r/min的工況下，與平原相比，發動機在高原條件下的輸出扭矩衰減率均小于2.5%。隨著轉速的升高，發動機在高原環境下輸出扭矩不斷減小，其中，額定轉速工況下，發動機的扭矩衰減率最高，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，受到增壓器轉速和渦后溫度的限制，再加之高原環境下，大氣壓力較低，進入氣缸的新鮮空氣沖量減少，燃燒惡化，進而導致發動機輸出扭矩迅速降低。

圖4為全負荷工況下天然氣發動機輸出功率隨海拔的變化關系。由圖可知，隨著轉速的升高，高原條件下發動機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。天然氣發動機在海拔2 000 m以下，由于大氣壓力相對較高，含氧量充足，在充足的進氣量下，缸內的混合氣能充分燃燒，做功能力差距較小。隨著海拔的增加，進氣壓力進一步減小，缸內燃燒惡化和受到機械限制，導致隨著轉速的升高，輸出功率顯著降低，尤其是在高速工況下，功率衰減越發嚴重。

3.2 不同海拔對天然氣發動機經濟性的影響

圖5為全負荷工況下天然氣發動機有效燃氣消耗率隨海拔的變化關系。由圖可知，隨著海拔的增加，有效燃氣消耗率不斷增加，經濟性下降。其中，轉速在1 000～1 200 r/min之間時，該款天然氣發動機燃氣經濟性最好。隨著轉速的升高，有效燃氣消耗率不斷增加，在額定點工況下，有效燃氣消耗率最大，與平原相比，發動機在4 000 m和5 000 m的海拔下，有效燃氣消耗率分別增加了7.4%和14.49%。主要是因為高海拔地區，進氣壓力、含氧量和進氣量較小，導致缸內不能充分燃燒，經濟性下降。

綜上所述，天然氣發動機在高原環境下原機動力性會出現較大的動力損失，為了使發動機有充足的動力輸出，給出如下的高原標定優化方向：

a.對發動機低、中轉速區進行增壓器性能標定優化，或者匹配增壓性更好的兩級增壓，使其發動機在中速、高速區增壓壓力更大，進氣流量相較平原損失降低，進而有效改善重型天然氣發動機在高原環境動力下降較為嚴重的問題[8]。

b.進行不同海拔下發動機的噴射提前角和點火提前角標定優化，使其天然氣與進氣有更多的時間充分混合，促進缸內燃氣充分燃燒，進而改善高原環境下天然氣發動機的動力性和經濟性[9]。

c.進行不同海拔下噴油MAP的標定優化，使其不同工況下缸內天然氣燃燒熱效率最佳。

4 結語

a.在全負荷工況下，隨著海拔、發動機轉速的升高增壓器轉速不斷增加，當增壓器轉速達到限制值后，增壓效果減弱，進而造成進氣流量嚴重減少。

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

c.在全負荷工況下，隨著海拔的升高，天然氣發動機的有效燃氣消耗率不斷增加，其中，中間轉速區燃氣消耗率最低，高轉速區的燃氣消耗率最高，相比平原增加了14.49%。

參考文獻：

[1]李劍，佘源琦，高陽，等.中國天然氣產業發展形勢與前景[J].天然氣工業，2020，40（4）：133-142.

[2]張騰，韓文濤，紀常偉等.進氣濕度對重型天然氣發動機影響的試驗研究[J].車用發動機，2023（1）：34-38.

[3]劉典云，鄭永明，曾夏寒，等.不同海拔的重型國六柴油機外特性試驗研究[J].內燃機與配件，2022（23）：1-3.

[4]肖仁鑫，梁大平，陳貴升，等.不同海拔下國六柴油機性能試驗研究[J].汽車工程，2022，44（12）：1926-1935.

[5]雷蕾，於永華，申立忠，等.不同海拔下柴油機瞬態排放試驗[J].內燃機學報，2023，41（5）：420-426.

[6]房晟，周德峰，王斌.不同海拔下甲醇-柴油雙燃料發動機的燃燒循環波動研究[J].車用發動機，2021（4）：22-28.

[7]冀樹德，張勃，劉峰春，等.柴油機高原動力性能仿真及環境模擬系統影響分析[J].車用發動機，2020（4）：84-92.

[8]張松，寧德忠，曹晟，等.增壓方式對高原重型天然氣發動機性能研究[J].內燃機與配件，2024（14）：25-28.

[9]肖紅，蘇強，駱葳.天然氣發動機在不同噴射和點火時刻下的性能優化研究[J].內燃機，2014（2）：25-29.

作者簡介：

鄭永明，男，1983年生，高級工程師，研究方向為內燃機檢驗檢測。