環境因素對小型燃氣通機性能影響及應用研究

王書娟

（浙江耀鋒動力科技有限公司，浙江 紹興 312000）

歐美對排放要求不斷提高，小型通機排放控制技術具有鮮明的特殊性——通機具有非?？量痰闹圃斐杀鞠拗?，無法簡單照搬汽車排放控制技術。因此以更加清潔環保的LPG/NG為燃料的發動機是替代以汽油、柴油為燃料的發動機的最好選擇，但小型燃氣通機性能對溫度、濕度、氣壓等環境變化非常敏感，這一特點大大增加了NG/LPG小型通機的研究與應用難度。本文進行了溫度、濕度及氣壓等環境因素對小型燃氣通機性能影響及應用研究。

1 溫度、濕度、氣壓等環境因素對LPG/NG氣體密度的影響研究

大氣處于地球周圍的一個開放空間，而不存在約束其運動范圍的具體疆界，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?？諝饷芏入S溫度、濕度、壓強變化公式為：

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于在一個密閉的容器中，作為氣源給發動機提供燃料，輸出壓力為定值，即壓強不變。當隨著溫度的升高，增加了空氣分子的對撞機會，從而增加了單位面積質量，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、環境溫度、濕度等變化對燃氣發動機空燃比及功率影響研究

由于大氣壓、環境溫度、濕度等變化對空氣密度、天然氣、LPG密度的影響，導致發動機的空燃比不斷變化,從而影響著混合氣形成和進入汽缸后的壓縮終點的壓力、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，過空氣系數越大）。這一變化大大增加了發動機化油器的匹配，導致發動機功率在不同的環境溫度、壓強、濕度下變化很大［1］。

根據空氣中可燃氣體及燃料密度隨溫度、濕度、大氣壓強的變化規律得出：①當濕度與大氣壓強不變的前提下，溫度越高，空燃比越小，導致發動機過濃，發動機容易出現放炮的聲音，功率根據溫度的升高有一定程度的下降；反之溫度越低，空燃比越大，導致發動機過稀，功率根據溫度的下降有一定程度的下降，尤其是針對NG（天然氣）燃料的發動機，發動機對環境溫度的變化感應更加敏感，導致功率變化更加明顯，實踐測試數據發現一般在進、排氣通暢情況下功率也會有10%～15%變化（假設在23±1℃環境溫度下進行發動機化油器各量孔標定）。②當溫度與大氣壓為定值時，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，可燃氣體中的可燃氣體濃度也會有所降低，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變化其主要因素。一般情況下，濕度的變化對可燃氣體的濃度變化影響更大。③當溫度與濕度為定值時，NGLPG燃料管道輸出壓力為定值，濃度取決于空氣中可燃氣體密度隨大氣壓變化而變化，所以大氣壓越大，空氣中可燃氣體濃度越小，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，所以在實際中要看哪一個影響因素更大一些。表2為168動力用LPG為燃料，在不同空燃比下功率的變化。

表2

3 溫度、濕度、氣壓等環境因素對LPG/NG燃氣發動機排放影響研究

由上述2點中提到的，由于環境溫度、濕度、氣壓等因素的變化，影響了發動機的空燃比，從而影響著混合氣形成和進入汽缸后的壓縮終點的壓力、爆炸溫度等。導致了在常溫下（23±1℃）標定好的發動機在溫度過高或過低時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，發動機會比在春秋季匹配好的動力表現出過濃（過空氣系數越?。?，通俗講就是給發動機提供了比實際需要多的燃料，導致燃燒不充分，導致尾氣中的C0含量會有一定的提高；而在寒風凜冽的冬季，大氣壓相對要高，溫度很低，在濕度不變的前提下，發動機會比在春秋季匹配好的動力表現出過稀，通俗講就是給發動機提供了比實際需要的燃料要少，導致尾氣中的NOX含量會有一定的提高，嚴重影響了發動機的排放（注：發動機尾氣排放主要參考為C0；NOX）。通用小型發動機排放控制技術具有鮮明的特殊性，無法簡單照搬汽車排放控制技術，主要原因是通機具有非?？量痰闹圃斐杀鞠拗?，導致包括國外同類產品在國內也極少使用，如燃油電噴系統（EFI）這樣比較昂貴的排放控制手段。本文進行了溫度、濕度及氣壓等環境因素對小型燃氣通機性能影響及應用研究［2］。

圖1

不同過量空氣系數下樣機排放的變化見上圖。

過量空氣系數對樣機的著火火核的形成、燃燒速度和燃燒穩定性是有明顯影響的。對于樣機的工作過程，從上圖可以看到，過量空氣系數在0.9附近時樣機動力燃燒比較充分，尾氣中HC、CO、NOx達到最優狀態，符合相關排放標準；當過量空氣系數比較大時（＞1.05），氧氣充足，燃燒充分，但是燃燒速度減慢，燃燒滯后，表現為爆發壓力小、功率小、油耗低，HC和CO排放減少，NOx排放增加，很容易導致NOx超排放危險；在過量空氣系數小時（濃混合氣，如0.85時），燃燒較不充分，表現為：爆發壓力較小，功率較小、油耗高，由于氧氣不足，HC和CO排放高，NOx排放少，很容易導致HC和CO超排放危險；綜合上圖與實際生產測試數據得知，過量空氣系數在0.9左右時，樣機綜合性能最優。

4 溫度、濕度、氣壓等環境因素對LPG/NG燃氣發動機對整個發動機的機油溫度、缸頭溫度、機油潤滑、機油消耗等影響研究

由于溫度、氣壓、濕度等對發動機著火火核的形成、燃燒速度和燃燒穩定性、發動機功率等有很明顯的影響，所以當發動機在一定溫度下標定好后，因為溫度、濕度、氣壓等對發動機的影響，導致發動機做功產生的熱量存在較大差別，所以發動機機油溫度、缸頭溫度、箱體溫度都會隨之有一定的變化；發動機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、活塞環與氣缸缸套的配合會因發動機溫度的變化而對機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。為此必須在設計時考慮到在最大功率下產生溫度的最大值，適合地選擇關鍵零部件的材料及表面處理方式。通常根據經驗值來講，LPG、NG等燃氣發動機對活塞、活塞環、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要有更高的要求。

5 溫度、濕度及氣壓等環境因素對燃氣發動機功率修訂系數研究與應用

由于上述幾點環境溫度、濕度、大氣壓等對LPG/NG氣體密度、LPG/NG燃氣發動機空燃比及功率、LPG/NG燃氣發動機排放、LPG/NG燃氣發動機溫度、LPG/NG燃氣發動機機油潤滑、消耗的影響，因此為了統一標準來衡量一臺發動機的性能或者方便用戶知曉在不同環境因素下發動機的性能，國家標準出臺一項規定：將發動機輸出功率都修正到“標準環境狀況”下，這就出來了一個功率修正系數，發動機的輸出功率比較就有了統一的標準。

環境狀況是發動機運行地點的環境，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，吸入氣缸的干空氣量減少，發動機功率會下降；反之，發動機功率上升。即同一臺發動機在不同的進氣狀況下使用性能差別很大。

為使功率標定不致混亂，產品質量有統一的檢驗和比 較 標 準 。 在 GB1105.1-87、GB/T18297-2001、GB/T21404-2008等標準中，規定了標準環境進氣狀況，并給出了大氣進氣狀況下的功率試驗結果換算成標準環境進氣狀況下的功率修正值的方法。

標準環境進氣狀況（所有標準）：大氣壓力P0=100kPa（750mmHg），大氣溫度（進氣溫度）T0=298K（25℃），水蒸氣分壓力Pswo=1kPa（7.55mmHg），干空氣壓力Pso=99kPa（742.55mmHg）。

當發動機需要在不同標準基準狀況下運轉，并且需要將功率和油耗率輸出調整到標準基準狀況下，請使用下面的公式：

Peo=Ka×Pe（Peo：修正功率；Pe：實測功率；Ka：修正系數）

geo=β×ge（geo：修正油耗率；ge：實測油耗率；β：修正系數）

經驗修正系數計算公式：

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

A：實測環境濕度；P：實測大氣壓；t：實測環境溫度；Pso：干空氣壓力

6 結語

隨著世界對更加清潔環保的LPG/NG為燃料的發動機的深入研究，以及在全球積極倡導降低碳排放，降低對石油消耗的大背景下，相信在不久的將來，燃氣發動機的應用將會越來越廣泛，并逐漸替代汽油、柴油為燃料的發動機。為降低能耗，減少尾氣排放做出積極的貢獻。

［1］GB/T17692-1999.汽車用發動機凈功率測試方法［S］.

［2］王建，劉勝吉.小型通用汽油機排放的研究［J］.農業工程學報，2009（6）：11-13.