進(jìn)氣濕度對(duì)重型天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)影響的試驗(yàn)研究

張騰，韓文濤，紀(jì)常偉，田茂軍，王懷宇，陳龍

(1.濰柴動(dòng)力股份限公司，山東 濰坊 261061；2.北京工業(yè)大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，北京 100124；3.中國(guó)汽車(chē)工程研究院股份有限公司，重慶 401122；4.中國(guó)第一汽車(chē)股份有限公司研發(fā)總院，吉林 長(zhǎng)春 130000)

為了緩解能源危機(jī)、改善環(huán)境污染以及排放法規(guī)升級(jí)時(shí)間加速的問(wèn)題，急需為商用車(chē)尋找清潔替代能源。當(dāng)前純電動(dòng)和燃料電池技術(shù)在商用車(chē)中的應(yīng)用受到技術(shù)限制，暫時(shí)無(wú)法大規(guī)模推廣應(yīng)用，而天然氣具有技術(shù)成熟、儲(chǔ)量豐富等優(yōu)勢(shì)，可認(rèn)為是商用車(chē)比較理想的替代能源。天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)普遍采用節(jié)氣門(mén)前預(yù)混合燃燒方式，因此發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣狀態(tài)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能影響非常重要。其中，進(jìn)氣濕度是一個(gè)重要影響參數(shù)，進(jìn)氣成分中水蒸氣的含量直接影響進(jìn)氣組分中干空氣量，同時(shí)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)廢氣再循環(huán)(Exhaust Gas Recirculation，EGR)產(chǎn)生的較大影響，進(jìn)而影響到發(fā)動(dòng)機(jī)的缸內(nèi)燃燒和排放狀態(tài)。

當(dāng)前，進(jìn)氣濕度對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的影響研究主要是集中在柴油機(jī)上。Arunachalam等[1]研究發(fā)現(xiàn)，柴油機(jī)進(jìn)氣加濕可以有效降低NOx排放。Rahai等[2]研究發(fā)現(xiàn)，柴油機(jī)在采用進(jìn)氣加濕的技術(shù)后，NOx排放可降低50%左右，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)可靠性影響較小。石田正弦等[3]研究發(fā)現(xiàn)，增加比熱容實(shí)現(xiàn)低溫燃燒，可以有效降低NOx排放。張哲巔[4]對(duì)CH4在濕空氣中的擴(kuò)散燃燒性能進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，空氣含濕量會(huì)影響擴(kuò)散火焰高度和火焰穩(wěn)定性。隨著天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的廣泛應(yīng)用，進(jìn)氣濕度對(duì)天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的性能影響不可忽略。若使天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)在不同濕度下保持良好的燃燒狀態(tài)和排放性能，有必要分析進(jìn)氣濕度對(duì)天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的影響，并根據(jù)濕度變化對(duì)天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行適應(yīng)性開(kāi)發(fā)。本研究以滿足國(guó)六排放標(biāo)準(zhǔn)的天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)為研究對(duì)象，研究進(jìn)氣濕度對(duì)天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)性能和排放的影響，為天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)環(huán)境適應(yīng)性開(kāi)發(fā)提供一定參考。

1 試驗(yàn)設(shè)備與方法

1.1 試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)及設(shè)備

試驗(yàn)發(fā)動(dòng)機(jī)為直列6缸增壓中冷天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)。該天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)采取節(jié)氣門(mén)后預(yù)混合、電控單點(diǎn)進(jìn)氣道噴射、理論空燃比+EGR+TWC的技術(shù)路線，滿足國(guó)Ⅵ排放標(biāo)準(zhǔn)，發(fā)動(dòng)機(jī)具體參數(shù)見(jiàn)表1。主要測(cè)試儀器及型號(hào)見(jiàn)表2。排放分析儀的測(cè)量原理、精度符合GB 17691—2018的要求。

表1 試驗(yàn)用發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)

表2 主要的測(cè)試儀器設(shè)備

1.2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)采用進(jìn)氣空調(diào)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣濕度進(jìn)行調(diào)節(jié)，相對(duì)濕度可在10%～90%之間變化，并可將發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣溫度控制在(35±2)℃內(nèi)。濕度傳感器采用CAN通信，測(cè)量精度為±3%。發(fā)動(dòng)機(jī)試驗(yàn)工況選擇100%電子節(jié)氣門(mén)開(kāi)度下低速、中速和高速3個(gè)試驗(yàn)工況點(diǎn)，即發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速分別選取800 r/min，1 400 r/min和1 900 r/min，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性以及排放性能進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)研究。

試驗(yàn)過(guò)程中，發(fā)動(dòng)機(jī)先進(jìn)行預(yù)熱，待發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行到正常工況下，通過(guò)試驗(yàn)室進(jìn)氣空調(diào)調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣相對(duì)濕度，使發(fā)動(dòng)機(jī)在穩(wěn)定的進(jìn)氣相對(duì)濕度下工作。我國(guó)幅員廣闊，各地區(qū)的濕度相差較大，因此在本試驗(yàn)中選擇(25±2)%，(35±2)%，(45±2)%，(55±2)%和(65±2)% 5個(gè)相對(duì)進(jìn)氣濕度進(jìn)行研究。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 進(jìn)氣濕度對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)燃燒的影響

2.1.1 對(duì)燃燒壓力和燃燒中心的影響

進(jìn)氣濕度的變化直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣中氧含量，進(jìn)而影響發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)燃燒。圖1示出天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)在不同工況下最大燃燒壓力和CA50(燃燒中心)受進(jìn)氣濕度的影響。由圖1可知，天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒壓力隨著進(jìn)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(shí)推遲約7.31%，在1 900 r/min時(shí)推遲8.23%。這是因?yàn)殡S著進(jìn)氣濕度的增加，進(jìn)氣氧濃度降低，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)混合氣處于相對(duì)較稀薄的狀態(tài)，缸內(nèi)燃燒反應(yīng)速率下降。另外，當(dāng)進(jìn)氣濕度增加后缸內(nèi)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(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)火焰的擴(kuò)散傳播速度，使缸內(nèi)擴(kuò)散燃燒階段放熱率明顯降低，缸內(nèi)燃燒壓力下降，CA50推遲[5]。發(fā)動(dòng)機(jī)在高速運(yùn)行時(shí)缸內(nèi)殘余廢氣系數(shù)增加，當(dāng)進(jìn)氣濕度增加后，缸內(nèi)過(guò)量空氣系數(shù)進(jìn)一步增大，抑制燃燒火焰的傳播，發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)燃燒愈發(fā)不穩(wěn)定性，導(dǎo)致燃燒CA50推遲相對(duì)明顯。

圖1 進(jìn)氣濕度對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)燃燒的影響

2.1.2 對(duì)缸內(nèi)點(diǎn)火提前角的影響

爆震是天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)常見(jiàn)的缸內(nèi)異常燃燒問(wèn)題之一，抑制爆震一般采取推遲點(diǎn)火提前角措施。發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣濕度的變化給發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)燃燒帶來(lái)了一定的影響，因此進(jìn)氣濕度耦合點(diǎn)火提前角可以改善缸內(nèi)燃燒狀態(tài)。為了使發(fā)動(dòng)機(jī)處于最佳狀態(tài)工作，點(diǎn)火提前角應(yīng)根據(jù)進(jìn)氣濕度進(jìn)行調(diào)整，圖2示出天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)在不同工況下點(diǎn)火提前角與進(jìn)氣濕度的變化曲線。由圖2可知，進(jìn)氣濕度由25%增加到65%時(shí)，點(diǎn)火提前角在800 r/min時(shí)推遲了17.64%，在1 900 r/min時(shí)推遲了21.85%。這主要是因?yàn)檫M(jìn)氣濕度增加可以使發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)溫度降低，燃燒壓力下降，從而抑制發(fā)動(dòng)機(jī)爆震[6]。在發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際標(biāo)定時(shí)，需要結(jié)合發(fā)動(dòng)進(jìn)氣濕度調(diào)整點(diǎn)火提前角，改善天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)抗爆性，實(shí)現(xiàn)改善燃燒狀態(tài)的目的。

圖2 進(jìn)氣濕度對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火提前角的影響

2.2 發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性分析

當(dāng)前天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)普遍使用EGR技術(shù)，而進(jìn)氣濕度變化很容易改變發(fā)動(dòng)機(jī)的EGR率，進(jìn)而對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性產(chǎn)生影響。圖3示出天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)在不同進(jìn)氣濕度下扭矩的變化。由圖3可知，發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩隨著濕度增加逐漸降低，中低速時(shí)變化更明顯，進(jìn)氣濕度由25%增加到65%時(shí)，扭矩在800 r/min時(shí)降低了4.62%，在1 900 r/min降低了3.11%。這主要是因?yàn)?，發(fā)動(dòng)機(jī)在中低速運(yùn)行的時(shí)候，隨著進(jìn)氣濕度的增加，發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)混合氣的水分占比增加，導(dǎo)致EGR率大于標(biāo)定值，缸內(nèi)燃燒減緩，發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩降低；而發(fā)動(dòng)機(jī)在高速運(yùn)行時(shí)，EGR率設(shè)置較高，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣濕度的增加對(duì)EGR率的影響較小，但是發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣需求量增加，而氧含量降低、過(guò)量空氣系數(shù)降低，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩下降[7]。另外，發(fā)動(dòng)機(jī)在中低速運(yùn)行時(shí)，缸內(nèi)燃燒狀態(tài)受EGR率影響較大，EGR率過(guò)高極易導(dǎo)致滯燃期延長(zhǎng)，缸內(nèi)燃燒壓力降低，進(jìn)而導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩降低。

圖3 發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣濕度對(duì)扭矩的影響

2.3 發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)性分析

圖4示出天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)在不同工況下經(jīng)濟(jì)性的變化。由圖4可知，發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)性隨著進(jìn)氣濕度的增加而惡化，進(jìn)氣濕度由25%增加到65%時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)氣耗率在800 r/min時(shí)增加了3.45%，在1 900 r/min增加了2.32%。這主要是隨著進(jìn)氣濕度的增加，后燃期延長(zhǎng)，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)性惡化；在發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和其他條件不變時(shí)，燃?xì)夤┙o量是根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣量計(jì)算得出的，當(dāng)進(jìn)氣濕度增加后，由發(fā)動(dòng)機(jī)電控單元計(jì)算得出，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣量增加需要增加對(duì)應(yīng)的燃?xì)鈬娚淞浚虼嗽斐商烊粴獍l(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)性惡化[8]。發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣濕度增加改變了EGR率，造成燃燒惡化，而發(fā)動(dòng)機(jī)在中低速運(yùn)行時(shí)殘余廢氣系數(shù)較高，發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)性惡化更加明顯。

圖4 進(jìn)氣濕度對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)氣耗率的影響

2.4 發(fā)動(dòng)機(jī)排放性分析

2.4.1 排氣溫度分析

當(dāng)前天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)排放需要后處理系統(tǒng)進(jìn)行控制，而發(fā)動(dòng)機(jī)后處理系統(tǒng)對(duì)排氣溫度有著近乎苛刻的要求。由圖5可知，隨著進(jìn)氣濕度的增加，發(fā)動(dòng)機(jī)排氣溫度逐漸上升，進(jìn)氣濕度由25%增加到65%時(shí)，排氣溫度在800 r/min時(shí)增加了4.87%，在1 900 r/min增加了5.69%。這主要是因?yàn)?，隨著進(jìn)氣濕度的增加，CA50燃燒中心相位滯后，燃燒滯燃期延長(zhǎng)，缸內(nèi)燃燒溫度降低；而發(fā)動(dòng)機(jī)在相同工況下每做功循環(huán)進(jìn)入缸內(nèi)的燃?xì)饬肯嗤?，即發(fā)動(dòng)機(jī)在每做功循環(huán)燃料燃燒釋放的總熱量相同，當(dāng)缸內(nèi)燃燒溫度降低時(shí)，排氣溫度升高。另外，進(jìn)氣濕度增加使缸內(nèi)EGR率上升，導(dǎo)致缸內(nèi)容易失火，發(fā)動(dòng)機(jī)排氣溫度也呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。

圖5 進(jìn)氣濕度對(duì)排氣溫度的影響

2.4.2 NOx排放分析

天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的NOx排放來(lái)源主要為熱力型NOx，其生成區(qū)域主要集中在高溫區(qū)。而發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣濕度增加后使發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)燃燒溫度降低，主要是因?yàn)椋?)進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)的水分增加，在一定程度上降低了發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)混合氣濃度，同時(shí)EGR系統(tǒng)進(jìn)一步降低缸內(nèi)混合氣濃度，導(dǎo)致缸內(nèi)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(nèi)燃燒混合氣的比熱容，燃燒產(chǎn)生的廢氣可以進(jìn)一步吸收缸內(nèi)混合氣的熱量，進(jìn)而降低缸內(nèi)燃燒溫度；3)由于進(jìn)氣濕度的增加，發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)不可燃?xì)怏w的占比近一步增加，導(dǎo)致缸內(nèi)高溫產(chǎn)物擴(kuò)散速率下降，火焰?zhèn)鞑ニ俾屎腿紵俾史啪?，燃燒相位滯后，發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)溫度進(jìn)一步下降；4)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣濕度增加，水分子自身的裂解吸熱反應(yīng)，也可以降低發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)溫度；同時(shí)由于水分子的熱對(duì)流系數(shù)大于空氣，使得發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)溫度和氣缸壁傳熱增加，也使發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)溫度降低[9-10]。綜上分析，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣濕度增加后會(huì)降低缸內(nèi)燃燒溫度，進(jìn)而影響到了NOx的生成。圖6示出天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)NOx排放隨著進(jìn)氣濕度的變化，進(jìn)氣濕度由25%增加到65%時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)NOx排放在800 r/min時(shí)降低了8.67%，在1 900 r/min降低了25.32%。

圖6 進(jìn)氣濕度對(duì)NOx排放的影響

由圖6可知，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣濕度的增加，發(fā)動(dòng)機(jī)NOx排放呈現(xiàn)出下降的趨勢(shì)。發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣濕度增加后，缸內(nèi)溫度下降，同時(shí)氧濃度下降，破壞了NOx的生成條件，使NOx排放進(jìn)一步降低。進(jìn)氣濕度增加，可以在一定程度上稀釋發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣中N2和O2的濃度，有利于緩解發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)局部富氧狀態(tài)，也可降低發(fā)動(dòng)機(jī)NOx排放。此外，水分子在缸內(nèi)高溫環(huán)境下容易裂解生成H基和OH基團(tuán)，而H基極容易與O自由基反應(yīng)，在一定程度上抑制了NOx的生成[8-11]。另外，隨著發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣濕度的增加，發(fā)動(dòng)機(jī)排氣溫度上升，后處理系統(tǒng)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(duì)于天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，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(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣濕度的變化。

圖7 進(jìn)氣濕度對(duì)HC和CO排放的影響

由圖7可知，HC和CO排放值隨著進(jìn)氣濕度的增加而增加。進(jìn)氣濕度增加后，發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)溫度降低，使得天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)的壁淬冷和燃燒室縫隙效應(yīng)加強(qiáng)，造成HC排放升高；另外由于水蒸氣進(jìn)入缸內(nèi)參與燃燒，導(dǎo)致缸內(nèi)混合氣壓力上升，使得未完全燃燒的天然氣通過(guò)活塞與活塞環(huán)、氣缸壁間隙漏出，在一定程度上促進(jìn)HC排放升高[11]。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)在中低速運(yùn)行時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速較低不利于缸內(nèi)混合氣流動(dòng)，使得HC排放在中低速時(shí)增高更明顯。對(duì)于CO排放，進(jìn)氣濕度增加后，缸內(nèi)混合氣氧濃度降低，造成缸內(nèi)混合氣不能充分完全燃燒，特別是發(fā)動(dòng)機(jī)在中低速運(yùn)行時(shí)缸內(nèi)混合氣混合均勻度較差，極易造成CO排放升高。

3 結(jié)論

a)隨著發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣濕度的增加，天然氣發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)燃燒惡化，燃燒壓力降低，燃燒相位CA50推遲，調(diào)整點(diǎn)火提前角，可以改善燃燒狀態(tài)、降低爆震風(fēng)險(xiǎn)；

b)隨著進(jìn)氣濕度的增加，發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩降低，經(jīng)濟(jì)性惡化；在發(fā)動(dòng)機(jī)小負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，進(jìn)氣濕度的增加使得缸內(nèi)EGR率上升，燃燒持續(xù)期延長(zhǎng)，造成發(fā)動(dòng)機(jī)經(jīng)濟(jì)性惡化、發(fā)動(dòng)機(jī)輸出扭矩下降；而發(fā)動(dòng)機(jī)在中高負(fù)荷工況運(yùn)行時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣量上升，使得過(guò)量空氣系數(shù)下降，引起天然氣氣耗增加，發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩下降；

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