环境因素对小型燃气通机性能影响及应用研究

王书娟

（浙江耀锋动力科技有限公司，浙江 绍兴 312000）

欧美对排放要求不断提高，小型通机排放控制技术具有鲜明的特殊性——通机具有非常苛刻的制造成本限制，无法简单照搬汽车排放控制技术。因此以更加清洁环保的LPG/NG为燃料的发动机是替代以汽油、柴油为燃料的发动机的最好选择，但小型燃气通机性能对温度、湿度、气压等环境变化非常敏感，这一特点大大增加了NG/LPG小型通机的研究与应用难度。本文进行了温度、湿度及气压等环境因素对小型燃气通机性能影响及应用研究。

1 温度、湿度、气压等环境因素对LPG/NG气体密度的影响研究

大气处于地球周围的一个开放空间，而不存在约束其运动范围的具体疆界，这就使它跟处于密闭容器中的气体不同。与大气压、高度、湿度、温度的变化成反比。高度越高，空气越稀薄,即空气密度越小；湿度越大，空气中的水分越多，而水的分子量比空气的混合分子量小，水气的增加，等于稀释了空气，空气密度越小；温度越高，虽然增加了空气分子的对撞机会，但是空气迅速膨胀，对流，而引起空气变得稀薄，其增加的对撞能量远小于空气变稀薄减小的对撞能量，自然空气压力减小，空气密度减少；反之空气密度增加。空气密度随温度、湿度、压强变化公式为：

表1

管路天然气、瓶装液化气与大气不同，管路天然气与瓶装液化气相当于在一个密闭的容器中，作为气源给发动机提供燃料，输出压力为定值，即压强不变。当随着温度的升高，增加了空气分子的对撞机会，从而增加了单位面积质量，增加了天然气密度；湿度的增加增大了天然气中的水分，从而降低了天然气的可燃烧气体的密度。

2 大气压、环境温度、湿度等变化对燃气发动机空燃比及功率影响研究

由于大气压、环境温度、湿度等变化对空气密度、天然气、LPG密度的影响，导致发动机的空燃比不断变化,从而影响着混合气形成和进入汽缸后的压缩终点的压力、爆炸温度等（注：空燃比，即燃烧单位LPG/NG燃料需要氧量，空燃比越大，过空气系数越大）。这一变化大大增加了发动机化油器的匹配，导致发动机功率在不同的环境温度、压强、湿度下变化很大［1］。

根据空气中可燃气体及燃料密度随温度、湿度、大气压强的变化规律得出：①当湿度与大气压强不变的前提下，温度越高，空燃比越小，导致发动机过浓，发动机容易出现放炮的声音，功率根据温度的升高有一定程度的下降；反之温度越低，空燃比越大，导致发动机过稀，功率根据温度的下降有一定程度的下降，尤其是针对NG（天然气）燃料的发动机，发动机对环境温度的变化感应更加敏感，导致功率变化更加明显，实践测试数据发现一般在进、排气通畅情况下功率也会有10%～15%变化（假设在23±1℃环境温度下进行发动机化油器各量孔标定）。②当温度与大气压为定值时，湿度越大，空气中的水分越多，空气中的氧气含量会有所下降，可燃气体中的可燃气体浓度也会有所降低，这样空燃比会随之变化，但空燃比的变化趋势要看引起的哪一个变化其主要因素。一般情况下，湿度的变化对可燃气体的浓度变化影响更大。③当温度与湿度为定值时，NGLPG燃料管道输出压力为定值，浓度取决于空气中可燃气体密度随大气压变化而变化，所以大气压越大，空气中可燃气体浓度越小，空燃比越小。一般情况下大气压、温度、湿度是相互影响相互制约的，所以在实际中要看哪一个影响因素更大一些。表2为168动力用LPG为燃料，在不同空燃比下功率的变化。

表2

3 温度、湿度、气压等环境因素对LPG/NG燃气发动机排放影响研究

由上述2点中提到的，由于环境温度、湿度、气压等因素的变化，影响了发动机的空燃比，从而影响着混合气形成和进入汽缸后的压缩终点的压力、爆炸温度等。导致了在常温下（23±1℃）标定好的发动机在温度过高或过低时燃烧尾气中各含量的变化较大。例如：在烈日炎炎的夏日，大气压相对要低，温度很高，在湿度不变的前提下，发动机会比在春秋季匹配好的动力表现出过浓（过空气系数越小），通俗讲就是给发动机提供了比实际需要多的燃料，导致燃烧不充分，导致尾气中的C0含量会有一定的提高；而在寒风凛冽的冬季，大气压相对要高，温度很低，在湿度不变的前提下，发动机会比在春秋季匹配好的动力表现出过稀，通俗讲就是给发动机提供了比实际需要的燃料要少，导致尾气中的NOX含量会有一定的提高，严重影响了发动机的排放（注：发动机尾气排放主要参考为C0；NOX）。通用小型发动机排放控制技术具有鲜明的特殊性，无法简单照搬汽车排放控制技术，主要原因是通机具有非常苛刻的制造成本限制，导致包括国外同类产品在国内也极少使用，如燃油电喷系统（EFI）这样比较昂贵的排放控制手段。本文进行了温度、湿度及气压等环境因素对小型燃气通机性能影响及应用研究［2］。

图1

不同过量空气系数下样机排放的变化见上图。

过量空气系数对样机的着火火核的形成、燃烧速度和燃烧稳定性是有明显影响的。对于样机的工作过程，从上图可以看到，过量空气系数在0.9附近时样机动力燃烧比较充分，尾气中HC、CO、NOx达到最优状态，符合相关排放标准；当过量空气系数比较大时（＞1.05），氧气充足，燃烧充分，但是燃烧速度减慢，燃烧滞后，表现为爆发压力小、功率小、油耗低，HC和CO排放减少，NOx排放增加，很容易导致NOx超排放危险；在过量空气系数小时（浓混合气，如0.85时），燃烧较不充分，表现为：爆发压力较小，功率较小、油耗高，由于氧气不足，HC和CO排放高，NOx排放少，很容易导致HC和CO超排放危险；综合上图与实际生产测试数据得知，过量空气系数在0.9左右时，样机综合性能最优。

4 温度、湿度、气压等环境因素对LPG/NG燃气发动机对整个发动机的机油温度、缸头温度、机油润滑、机油消耗等影响研究

由于温度、气压、湿度等对发动机着火火核的形成、燃烧速度和燃烧稳定性、发动机功率等有很明显的影响，所以当发动机在一定温度下标定好后，因为温度、湿度、气压等对发动机的影响，导致发动机做功产生的热量存在较大差别，所以发动机机油温度、缸头温度、箱体温度都会随之有一定的变化；发动机温度的不同对零部件配合间隙、零部件使用寿命等影响也较为明显，如活塞、活塞环与气缸缸套的配合会因发动机温度的变化而对机油消耗有很明显的影响，缸头零部件及垫片等也会影响明显。为此必须在设计时考虑到在最大功率下产生温度的最大值，适合地选择关键零部件的材料及表面处理方式。通常根据经验值来讲，LPG、NG等燃气发动机对活塞、活塞环、缸套、汽缸垫、汽缸头等零件部件材料及热处理等相对汽油机要有更高的要求。

5 温度、湿度及气压等环境因素对燃气发动机功率修订系数研究与应用

由于上述几点环境温度、湿度、大气压等对LPG/NG气体密度、LPG/NG燃气发动机空燃比及功率、LPG/NG燃气发动机排放、LPG/NG燃气发动机温度、LPG/NG燃气发动机机油润滑、消耗的影响，因此为了统一标准来衡量一台发动机的性能或者方便用户知晓在不同环境因素下发动机的性能，国家标准出台一项规定：将发动机输出功率都修正到“标准环境状况”下，这就出来了一个功率修正系数，发动机的输出功率比较就有了统一的标准。

环境状况是发动机运行地点的环境，包括大气压力、大气温度和相对湿度。大气压力低、大气温度升高和相对湿度大时，吸入气缸的干空气量减少，发动机功率会下降；反之，发动机功率上升。即同一台发动机在不同的进气状况下使用性能差别很大。

为使功率标定不致混乱，产品质量有统一的检验和比 较 标 准 。 在 GB1105.1-87、GB/T18297-2001、GB/T21404-2008等标准中，规定了标准环境进气状况，并给出了大气进气状况下的功率试验结果换算成标准环境进气状况下的功率修正值的方法。

标准环境进气状况（所有标准）：大气压力P0=100kPa（750mmHg），大气温度（进气温度）T0=298K（25℃），水蒸气分压力Pswo=1kPa（7.55mmHg），干空气压力Pso=99kPa（742.55mmHg）。

当发动机需要在不同标准基准状况下运转，并且需要将功率和油耗率输出调整到标准基准状况下，请使用下面的公式：

Peo=Ka×Pe（Peo：修正功率；Pe：实测功率；Ka：修正系数）

geo=β×ge（geo：修正油耗率；ge：实测油耗率；β：修正系数）

经验修正系数计算公式：

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

A：实测环境湿度；P：实测大气压；t：实测环境温度；Pso：干空气压力

6 结语

随着世界对更加清洁环保的LPG/NG为燃料的发动机的深入研究，以及在全球积极倡导降低碳排放，降低对石油消耗的大背景下，相信在不久的将来，燃气发动机的应用将会越来越广泛，并逐渐替代汽油、柴油为燃料的发动机。为降低能耗，减少尾气排放做出积极的贡献。

［1］GB/T17692-1999.汽车用发动机净功率测试方法［S］.

［2］王建，刘胜吉.小型通用汽油机排放的研究［J］.农业工程学报，2009（6）：11-13.