環(huán)境因素對小型燃?xì)馔C(jī)性能影響及應(yīng)用研究

王書娟

（浙江耀鋒動(dòng)力科技有限公司，浙江 紹興 312000）

歐美對排放要求不斷提高，小型通機(jī)排放控制技術(shù)具有鮮明的特殊性——通機(jī)具有非?？量痰闹圃斐杀鞠拗?，無法簡單照搬汽車排放控制技術(shù)。因此以更加清潔環(huán)保的LPG/NG為燃料的發(fā)動(dòng)機(jī)是替代以汽油、柴油為燃料的發(fā)動(dòng)機(jī)的最好選擇，但小型燃?xì)馔C(jī)性能對溫度、濕度、氣壓等環(huán)境變化非常敏感，這一特點(diǎn)大大增加了NG/LPG小型通機(jī)的研究與應(yīng)用難度。本文進(jìn)行了溫度、濕度及氣壓等環(huán)境因素對小型燃?xì)馔C(jī)性能影響及應(yīng)用研究。

1 溫度、濕度、氣壓等環(huán)境因素對LPG/NG氣體密度的影響研究

大氣處于地球周圍的一個(gè)開放空間，而不存在約束其運(yùn)動(dòng)范圍的具體疆界，這就使它跟處于密閉容器中的氣體不同。與大氣壓、高度、濕度、溫度的變化成反比。高度越高，空氣越稀薄,即空氣密度越??；濕度越大，空氣中的水分越多，而水的分子量比空氣的混合分子量小，水氣的增加，等于稀釋了空氣，空氣密度越??；溫度越高，雖然增加了空氣分子的對撞機(jī)會，但是空氣迅速膨脹，對流，而引起空氣變得稀薄，其增加的對撞能量遠(yuǎn)小于空氣變稀薄減小的對撞能量，自然空氣壓力減小，空氣密度減少；反之空氣密度增加。空氣密度隨溫度、濕度、壓強(qiáng)變化公式為：

表1

管路天然氣、瓶裝液化氣與大氣不同，管路天然氣與瓶裝液化氣相當(dāng)于在一個(gè)密閉的容器中，作為氣源給發(fā)動(dòng)機(jī)提供燃料，輸出壓力為定值，即壓強(qiáng)不變。當(dāng)隨著溫度的升高，增加了空氣分子的對撞機(jī)會，從而增加了單位面積質(zhì)量，增加了天然氣密度；濕度的增加增大了天然氣中的水分，從而降低了天然氣的可燃燒氣體的密度。

2 大氣壓、環(huán)境溫度、濕度等變化對燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)空燃比及功率影響研究

由于大氣壓、環(huán)境溫度、濕度等變化對空氣密度、天然氣、LPG密度的影響，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)的空燃比不斷變化,從而影響著混合氣形成和進(jìn)入汽缸后的壓縮終點(diǎn)的壓力、爆炸溫度等（注：空燃比，即燃燒單位LPG/NG燃料需要氧量，空燃比越大，過空氣系數(shù)越大）。這一變化大大增加了發(fā)動(dòng)機(jī)化油器的匹配，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)功率在不同的環(huán)境溫度、壓強(qiáng)、濕度下變化很大［1］。

根據(jù)空氣中可燃?xì)怏w及燃料密度隨溫度、濕度、大氣壓強(qiáng)的變化規(guī)律得出：①當(dāng)濕度與大氣壓強(qiáng)不變的前提下，溫度越高，空燃比越小，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)過濃，發(fā)動(dòng)機(jī)容易出現(xiàn)放炮的聲音，功率根據(jù)溫度的升高有一定程度的下降；反之溫度越低，空燃比越大，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)過稀，功率根據(jù)溫度的下降有一定程度的下降，尤其是針對NG（天然氣）燃料的發(fā)動(dòng)機(jī)，發(fā)動(dòng)機(jī)對環(huán)境溫度的變化感應(yīng)更加敏感，導(dǎo)致功率變化更加明顯，實(shí)踐測試數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)一般在進(jìn)、排氣通暢情況下功率也會有10%～15%變化（假設(shè)在23±1℃環(huán)境溫度下進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)化油器各量孔標(biāo)定）。②當(dāng)溫度與大氣壓為定值時(shí)，濕度越大，空氣中的水分越多，空氣中的氧氣含量會有所下降，可燃?xì)怏w中的可燃?xì)怏w濃度也會有所降低，這樣空燃比會隨之變化，但空燃比的變化趨勢要看引起的哪一個(gè)變化其主要因素。一般情況下，濕度的變化對可燃?xì)怏w的濃度變化影響更大。③當(dāng)溫度與濕度為定值時(shí)，NGLPG燃料管道輸出壓力為定值，濃度取決于空氣中可燃?xì)怏w密度隨大氣壓變化而變化，所以大氣壓越大，空氣中可燃?xì)怏w濃度越小，空燃比越小。一般情況下大氣壓、溫度、濕度是相互影響相互制約的，所以在實(shí)際中要看哪一個(gè)影響因素更大一些。表2為168動(dòng)力用LPG為燃料，在不同空燃比下功率的變化。

表2

3 溫度、濕度、氣壓等環(huán)境因素對LPG/NG燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)排放影響研究

由上述2點(diǎn)中提到的，由于環(huán)境溫度、濕度、氣壓等因素的變化，影響了發(fā)動(dòng)機(jī)的空燃比，從而影響著混合氣形成和進(jìn)入汽缸后的壓縮終點(diǎn)的壓力、爆炸溫度等。導(dǎo)致了在常溫下（23±1℃）標(biāo)定好的發(fā)動(dòng)機(jī)在溫度過高或過低時(shí)燃燒尾氣中各含量的變化較大。例如：在烈日炎炎的夏日，大氣壓相對要低，溫度很高，在濕度不變的前提下，發(fā)動(dòng)機(jī)會比在春秋季匹配好的動(dòng)力表現(xiàn)出過濃（過空氣系數(shù)越?。?，通俗講就是給發(fā)動(dòng)機(jī)提供了比實(shí)際需要多的燃料，導(dǎo)致燃燒不充分，導(dǎo)致尾氣中的C0含量會有一定的提高；而在寒風(fēng)凜冽的冬季，大氣壓相對要高，溫度很低，在濕度不變的前提下，發(fā)動(dòng)機(jī)會比在春秋季匹配好的動(dòng)力表現(xiàn)出過稀，通俗講就是給發(fā)動(dòng)機(jī)提供了比實(shí)際需要的燃料要少，導(dǎo)致尾氣中的NOX含量會有一定的提高，嚴(yán)重影響了發(fā)動(dòng)機(jī)的排放（注：發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣排放主要參考為C0；NOX）。通用小型發(fā)動(dòng)機(jī)排放控制技術(shù)具有鮮明的特殊性，無法簡單照搬汽車排放控制技術(shù)，主要原因是通機(jī)具有非?？量痰闹圃斐杀鞠拗?，導(dǎo)致包括國外同類產(chǎn)品在國內(nèi)也極少使用，如燃油電噴系統(tǒng)（EFI）這樣比較昂貴的排放控制手段。本文進(jìn)行了溫度、濕度及氣壓等環(huán)境因素對小型燃?xì)馔C(jī)性能影響及應(yīng)用研究［2］。

圖1

不同過量空氣系數(shù)下樣機(jī)排放的變化見上圖。

過量空氣系數(shù)對樣機(jī)的著火火核的形成、燃燒速度和燃燒穩(wěn)定性是有明顯影響的。對于樣機(jī)的工作過程，從上圖可以看到，過量空氣系數(shù)在0.9附近時(shí)樣機(jī)動(dòng)力燃燒比較充分，尾氣中HC、CO、NOx達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)，符合相關(guān)排放標(biāo)準(zhǔn)；當(dāng)過量空氣系數(shù)比較大時(shí)（＞1.05），氧氣充足，燃燒充分，但是燃燒速度減慢，燃燒滯后，表現(xiàn)為爆發(fā)壓力小、功率小、油耗低，HC和CO排放減少，NOx排放增加，很容易導(dǎo)致NOx超排放危險(xiǎn)；在過量空氣系數(shù)小時(shí)（濃混合氣，如0.85時(shí)），燃燒較不充分，表現(xiàn)為：爆發(fā)壓力較小，功率較小、油耗高，由于氧氣不足，HC和CO排放高，NOx排放少，很容易導(dǎo)致HC和CO超排放危險(xiǎn)；綜合上圖與實(shí)際生產(chǎn)測試數(shù)據(jù)得知，過量空氣系數(shù)在0.9左右時(shí)，樣機(jī)綜合性能最優(yōu)。

4 溫度、濕度、氣壓等環(huán)境因素對LPG/NG燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)對整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)油溫度、缸頭溫度、機(jī)油潤滑、機(jī)油消耗等影響研究

由于溫度、氣壓、濕度等對發(fā)動(dòng)機(jī)著火火核的形成、燃燒速度和燃燒穩(wěn)定性、發(fā)動(dòng)機(jī)功率等有很明顯的影響，所以當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)在一定溫度下標(biāo)定好后，因?yàn)闇囟?、濕度、氣壓等對發(fā)動(dòng)機(jī)的影響，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)做功產(chǎn)生的熱量存在較大差別，所以發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油溫度、缸頭溫度、箱體溫度都會隨之有一定的變化；發(fā)動(dòng)機(jī)溫度的不同對零部件配合間隙、零部件使用壽命等影響也較為明顯，如活塞、活塞環(huán)與氣缸缸套的配合會因發(fā)動(dòng)機(jī)溫度的變化而對機(jī)油消耗有很明顯的影響，缸頭零部件及墊片等也會影響明顯。為此必須在設(shè)計(jì)時(shí)考慮到在最大功率下產(chǎn)生溫度的最大值，適合地選擇關(guān)鍵零部件的材料及表面處理方式。通常根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值來講，LPG、NG等燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)對活塞、活塞環(huán)、缸套、汽缸墊、汽缸頭等零件部件材料及熱處理等相對汽油機(jī)要有更高的要求。

5 溫度、濕度及氣壓等環(huán)境因素對燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)功率修訂系數(shù)研究與應(yīng)用

由于上述幾點(diǎn)環(huán)境溫度、濕度、大氣壓等對LPG/NG氣體密度、LPG/NG燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)空燃比及功率、LPG/NG燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)排放、LPG/NG燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)溫度、LPG/NG燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油潤滑、消耗的影響，因此為了統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)來衡量一臺發(fā)動(dòng)機(jī)的性能或者方便用戶知曉在不同環(huán)境因素下發(fā)動(dòng)機(jī)的性能，國家標(biāo)準(zhǔn)出臺一項(xiàng)規(guī)定：將發(fā)動(dòng)機(jī)輸出功率都修正到“標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境狀況”下，這就出來了一個(gè)功率修正系數(shù)，發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率比較就有了統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。

環(huán)境狀況是發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行地點(diǎn)的環(huán)境，包括大氣壓力、大氣溫度和相對濕度。大氣壓力低、大氣溫度升高和相對濕度大時(shí)，吸入氣缸的干空氣量減少，發(fā)動(dòng)機(jī)功率會下降；反之，發(fā)動(dòng)機(jī)功率上升。即同一臺發(fā)動(dòng)機(jī)在不同的進(jìn)氣狀況下使用性能差別很大。

為使功率標(biāo)定不致混亂，產(chǎn)品質(zhì)量有統(tǒng)一的檢驗(yàn)和比 較 標(biāo) 準(zhǔn) 。 在 GB1105.1-87、GB/T18297-2001、GB/T21404-2008等標(biāo)準(zhǔn)中，規(guī)定了標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境進(jìn)氣狀況，并給出了大氣進(jìn)氣狀況下的功率試驗(yàn)結(jié)果換算成標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境進(jìn)氣狀況下的功率修正值的方法。

標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境進(jìn)氣狀況（所有標(biāo)準(zhǔn)）：大氣壓力P0=100kPa（750mmHg），大氣溫度（進(jìn)氣溫度）T0=298K（25℃），水蒸氣分壓力Pswo=1kPa（7.55mmHg），干空氣壓力Pso=99kPa（742.55mmHg）。

當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)需要在不同標(biāo)準(zhǔn)基準(zhǔn)狀況下運(yùn)轉(zhuǎn)，并且需要將功率和油耗率輸出調(diào)整到標(biāo)準(zhǔn)基準(zhǔn)狀況下，請使用下面的公式：

Peo=Ka×Pe（Peo：修正功率；Pe：實(shí)測功率；Ka：修正系數(shù)）

geo=β×ge（geo：修正油耗率；ge：實(shí)測油耗率；β：修正系數(shù)）

經(jīng)驗(yàn)修正系數(shù)計(jì)算公式：

Ka=（（Pso/（P-（A*（0.61078*EXP（t/（t+238.3）*17.2694））/100）））*（（（t+273.15）/298）^0.5））

A：實(shí)測環(huán)境濕度；P：實(shí)測大氣壓；t：實(shí)測環(huán)境溫度；Pso：干空氣壓力

6 結(jié)語

隨著世界對更加清潔環(huán)保的LPG/NG為燃料的發(fā)動(dòng)機(jī)的深入研究，以及在全球積極倡導(dǎo)降低碳排放，降低對石油消耗的大背景下，相信在不久的將來，燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)的應(yīng)用將會越來越廣泛，并逐漸替代汽油、柴油為燃料的發(fā)動(dòng)機(jī)。為降低能耗，減少尾氣排放做出積極的貢獻(xiàn)。

［1］GB/T17692-1999.汽車用發(fā)動(dòng)機(jī)凈功率測試方法［S］.

［2］王建，劉勝吉.小型通用汽油機(jī)排放的研究［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2009（6）：11-13.