进气湿度对重型天然气发动机影响的试验研究

张腾，韩文涛，纪常伟，田茂军，王怀宇，陈龙

(1.潍柴动力股份限公司，山东 潍坊 261061；2.北京工业大学能源与动力工程学院，北京 100124；3.中国汽车工程研究院股份有限公司，重庆 401122；4.中国第一汽车股份有限公司研发总院，吉林 长春 130000)

为了缓解能源危机、改善环境污染以及排放法规升级时间加速的问题，急需为商用车寻找清洁替代能源。当前纯电动和燃料电池技术在商用车中的应用受到技术限制，暂时无法大规模推广应用，而天然气具有技术成熟、储量丰富等优势，可认为是商用车比较理想的替代能源。天然气发动机普遍采用节气门前预混合燃烧方式，因此发动机进气状态对发动机性能影响非常重要。其中，进气湿度是一个重要影响参数，进气成分中水蒸气的含量直接影响进气组分中干空气量，同时对发动机废气再循环(Exhaust Gas Recirculation，EGR)产生的较大影响，进而影响到发动机的缸内燃烧和排放状态。

当前，进气湿度对发动机的影响研究主要是集中在柴油机上。Arunachalam等[1]研究发现，柴油机进气加湿可以有效降低NOx排放。Rahai等[2]研究发现，柴油机在采用进气加湿的技术后，NOx排放可降低50%左右，对发动机可靠性影响较小。石田正弦等[3]研究发现，增加比热容实现低温燃烧，可以有效降低NOx排放。张哲巅[4]对CH4在湿空气中的扩散燃烧性能进行了研究，结果表明，空气含湿量会影响扩散火焰高度和火焰稳定性。随着天然气发动机的广泛应用，进气湿度对天然气发动机的性能影响不可忽略。若使天然气发动机在不同湿度下保持良好的燃烧状态和排放性能，有必要分析进气湿度对天然气发动机的影响，并根据湿度变化对天然气发动机进行适应性开发。本研究以满足国六排放标准的天然气发动机为研究对象，研究进气湿度对天然气发动机性能和排放的影响，为天然气发动机环境适应性开发提供一定参考。

1 试验设备与方法

1.1 试验发动机及设备

试验发动机为直列6缸增压中冷天然气发动机。该天然气发动机采取节气门后预混合、电控单点进气道喷射、理论空燃比+EGR+TWC的技术路线，满足国Ⅵ排放标准，发动机具体参数见表1。主要测试仪器及型号见表2。排放分析仪的测量原理、精度符合GB 17691—2018的要求。

表1 试验用发动机参数

表2 主要的测试仪器设备

1.2 试验方案

试验采用进气空调对发动机的进气湿度进行调节，相对湿度可在10%～90%之间变化，并可将发动机进气温度控制在(35±2)℃内。湿度传感器采用CAN通信，测量精度为±3%。发动机试验工况选择100%电子节气门开度下低速、中速和高速3个试验工况点，即发动机转速分别选取800 r/min，1 400 r/min和1 900 r/min，对发动机动力性、经济性以及排放性能进行相关试验研究。

试验过程中，发动机先进行预热，待发动机运行到正常工况下，通过试验室进气空调调节发动机进气相对湿度，使发动机在稳定的进气相对湿度下工作。我国幅员广阔，各地区的湿度相差较大，因此在本试验中选择(25±2)%，(35±2)%，(45±2)%，(55±2)%和(65±2)% 5个相对进气湿度进行研究。

2 试验结果与分析

2.1 进气湿度对发动机缸内燃烧的影响

2.1.1 对燃烧压力和燃烧中心的影响

进气湿度的变化直接影响发动机进气中氧含量，进而影响发动机缸内燃烧。图1示出天然气发动机在不同工况下最大燃烧压力和CA50(燃烧中心)受进气湿度的影响。由图1可知，天然气发动机的燃烧压力随着进气湿度的增加而降低，燃烧恶化，燃烧中心CA50推迟，CA50在800 r/min时推迟约7.31%，在1 900 r/min时推迟8.23%。这是因为随着进气湿度的增加，进气氧浓度降低，导致发动机缸内混合气处于相对较稀薄的状态，缸内燃烧反应速率下降。另外，当进气湿度增加后缸内混合物不可燃成分增加，水蒸气汽化吸收的热量增加，也在一定程度上降低了发动机缸内火焰的扩散传播速度，使缸内扩散燃烧阶段放热率明显降低，缸内燃烧压力下降，CA50推迟[5]。发动机在高速运行时缸内残余废气系数增加，当进气湿度增加后，缸内过量空气系数进一步增大，抑制燃烧火焰的传播，发动机缸内燃烧愈发不稳定性，导致燃烧CA50推迟相对明显。

图1 进气湿度对发动机缸内燃烧的影响

2.1.2 对缸内点火提前角的影响

爆震是天然气发动机常见的缸内异常燃烧问题之一，抑制爆震一般采取推迟点火提前角措施。发动机进气湿度的变化给发动机缸内燃烧带来了一定的影响，因此进气湿度耦合点火提前角可以改善缸内燃烧状态。为了使发动机处于最佳状态工作，点火提前角应根据进气湿度进行调整，图2示出天然气发动机在不同工况下点火提前角与进气湿度的变化曲线。由图2可知，进气湿度由25%增加到65%时，点火提前角在800 r/min时推迟了17.64%，在1 900 r/min时推迟了21.85%。这主要是因为进气湿度增加可以使发动机缸内温度降低，燃烧压力下降，从而抑制发动机爆震[6]。在发动机实际标定时，需要结合发动进气湿度调整点火提前角，改善天然气发动机抗爆性，实现改善燃烧状态的目的。

图2 进气湿度对发动机点火提前角的影响

2.2 发动机动力性分析

当前天然气发动机普遍使用EGR技术，而进气湿度变化很容易改变发动机的EGR率，进而对发动机的动力性产生影响。图3示出天然气发动机在不同进气湿度下扭矩的变化。由图3可知，发动机扭矩随着湿度增加逐渐降低，中低速时变化更明显，进气湿度由25%增加到65%时，扭矩在800 r/min时降低了4.62%，在1 900 r/min降低了3.11%。这主要是因为，发动机在中低速运行的时候，随着进气湿度的增加，发动机缸内混合气的水分占比增加，导致EGR率大于标定值，缸内燃烧减缓，发动机扭矩降低；而发动机在高速运行时，EGR率设置较高，发动机进气湿度的增加对EGR率的影响较小，但是发动机进气需求量增加，而氧含量降低、过量空气系数降低，导致发动机扭矩下降[7]。另外，发动机在中低速运行时，缸内燃烧状态受EGR率影响较大，EGR率过高极易导致滞燃期延长，缸内燃烧压力降低，进而导致发动机扭矩降低。

图3 发动机进气湿度对扭矩的影响

2.3 发动机经济性分析

图4示出天然气发动机在不同工况下经济性的变化。由图4可知，发动机经济性随着进气湿度的增加而恶化，进气湿度由25%增加到65%时，发动机气耗率在800 r/min时增加了3.45%，在1 900 r/min增加了2.32%。这主要是随着进气湿度的增加，后燃期延长，导致发动机经济性恶化；在发动机转速和其他条件不变时，燃气供给量是根据发动机进气量计算得出的，当进气湿度增加后，由发动机电控单元计算得出，发动机进气量增加需要增加对应的燃气喷射量，因此造成天然气发动机经济性恶化[8]。发动机进气湿度增加改变了EGR率，造成燃烧恶化，而发动机在中低速运行时残余废气系数较高，发动机经济性恶化更加明显。

图4 进气湿度对发动机气耗率的影响

2.4 发动机排放性分析

2.4.1 排气温度分析

当前天然气发动机排放需要后处理系统进行控制，而发动机后处理系统对排气温度有着近乎苛刻的要求。由图5可知，随着进气湿度的增加，发动机排气温度逐渐上升，进气湿度由25%增加到65%时，排气温度在800 r/min时增加了4.87%，在1 900 r/min增加了5.69%。这主要是因为，随着进气湿度的增加，CA50燃烧中心相位滞后，燃烧滞燃期延长，缸内燃烧温度降低；而发动机在相同工况下每做功循环进入缸内的燃气量相同，即发动机在每做功循环燃料燃烧释放的总热量相同，当缸内燃烧温度降低时，排气温度升高。另外，进气湿度增加使缸内EGR率上升，导致缸内容易失火，发动机排气温度也呈现上升趋势。

图5 进气湿度对排气温度的影响

2.4.2 NOx排放分析

天然气发动机的NOx排放来源主要为热力型NOx，其生成区域主要集中在高温区。而发动机进气湿度增加后使发动机缸内燃烧温度降低，主要是因为：1)进入发动机缸内的水分增加，在一定程度上降低了发动机缸内混合气浓度，同时EGR系统进一步降低缸内混合气浓度，导致缸内燃烧减缓、燃烧温度下降；2)水的比热容大于空气的比热容，可以在一定程度上增加缸内燃烧混合气的比热容，燃烧产生的废气可以进一步吸收缸内混合气的热量，进而降低缸内燃烧温度；3)由于进气湿度的增加，发动机缸内不可燃气体的占比近一步增加，导致缸内高温产物扩散速率下降，火焰传播速率和燃烧速率放缓，燃烧相位滞后，发动机缸内温度进一步下降；4)发动机进气湿度增加，水分子自身的裂解吸热反应，也可以降低发动机缸内温度；同时由于水分子的热对流系数大于空气，使得发动机缸内温度和气缸壁传热增加，也使发动机缸内温度降低[9-10]。综上分析，发动机进气湿度增加后会降低缸内燃烧温度，进而影响到了NOx的生成。图6示出天然气发动机NOx排放随着进气湿度的变化，进气湿度由25%增加到65%时，发动机NOx排放在800 r/min时降低了8.67%，在1 900 r/min降低了25.32%。

图6 进气湿度对NOx排放的影响

由图6可知，随着发动机进气湿度的增加，发动机NOx排放呈现出下降的趋势。发动机进气湿度增加后，缸内温度下降，同时氧浓度下降，破坏了NOx的生成条件，使NOx排放进一步降低。进气湿度增加，可以在一定程度上稀释发动机进气中N2和O2的浓度，有利于缓解发动机缸内局部富氧状态，也可降低发动机NOx排放。此外，水分子在缸内高温环境下容易裂解生成H基和OH基团，而H基极容易与O自由基反应，在一定程度上抑制了NOx的生成[8-11]。另外，随着发动机进气湿度的增加，发动机排气温度上升，后处理系统工作效率提升，也在一定程度上降低了NOx排放。

2.4.3 HC和CO排放分析

对于天然气发动机来说，HC和CO排放是另外两种重要的排放污染物。图7示出HC和CO排放随着发动机进气湿度的变化。

图7 进气湿度对HC和CO排放的影响

由图7可知，HC和CO排放值随着进气湿度的增加而增加。进气湿度增加后，发动机缸内温度降低，使得天然气发动机的壁淬冷和燃烧室缝隙效应加强，造成HC排放升高；另外由于水蒸气进入缸内参与燃烧，导致缸内混合气压力上升，使得未完全燃烧的天然气通过活塞与活塞环、气缸壁间隙漏出，在一定程度上促进HC排放升高[11]。当发动机在中低速运行时，发动机转速较低不利于缸内混合气流动，使得HC排放在中低速时增高更明显。对于CO排放，进气湿度增加后，缸内混合气氧浓度降低，造成缸内混合气不能充分完全燃烧，特别是发动机在中低速运行时缸内混合气混合均匀度较差，极易造成CO排放升高。

3 结论

a)随着发动机进气湿度的增加，天然气发动机缸内燃烧恶化，燃烧压力降低，燃烧相位CA50推迟，调整点火提前角，可以改善燃烧状态、降低爆震风险；

b)随着进气湿度的增加，发动机输出扭矩降低，经济性恶化；在发动机小负荷运行时，进气湿度的增加使得缸内EGR率上升，燃烧持续期延长，造成发动机经济性恶化、发动机输出扭矩下降；而发动机在中高负荷工况运行时，发动机进气量上升，使得过量空气系数下降，引起天然气气耗增加，发动机扭矩下降；

c)NOx排放受进气湿度影响较大，且随着进气湿度的增加，尾气中NOx排放降低，HC和CO排放量呈现上升趋势，对HC和CO排放的影响相对较小。