不同海拔下天然气发动机的外特性试验研究

摘要：以一台13 L满足国六的天然气发动机为研究对象，利用高原环境模拟试验台架，分析了发动机外特性下的动力性和燃油经济性随海拔的变化关系。结果表明：全负荷工况下，涡轮转速随海拔、发动机转速的升高而不断增加，当涡轮转速达到限制值后增压效果减弱，吸入气缸内的进气量减少，燃烧恶化。随着海拔的升高动力性不断降低，相较于平原地区，高转速工况下输出扭矩、功率衰退最高为49.38%；经济性不断降低，其中高转速工况下有效燃气消耗率相较平原增加了14.49%。

关键词：天然气发动机；高原；外特性

中图分类号：U464 收稿日期：2024-09-25

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2024.12.020

1 前言

随着环境污染和能源短缺等问题的日益加重，寻找其他发动机替代燃料已经成为现阶段重要的研究方向。与汽油、柴油相比，天然气作为新型替代燃料，具有热效率高、经济性好、污染物排放低和储能充足等特点，有望成为发动机替代燃料的首选[1]。天然气发动机普遍采用节气门前预混合燃烧方式，因此进气状态对发动机性能影响非常重要[2]。其中，进气压力是一个重要的影响参数，随着海拔的升高，大气压力不断降低，发动机的过量空气系数减小，进而影响发动机缸内燃烧和污染物排放[3]。

目前，不同海拔对发动机性能的影响研究主要集中在柴油机上。肖仁鑫等[4]通过对不同海拔下全负荷、部分负荷的柴油机研究发现，随着海拔的升高，柴油机的动力性、燃油经济性明显下降，排放性能恶化。雷蕾等[5]研究了不同海拔对柴油机瞬态排放的影响，研究表明：随着海拔的升高，NOx、PM和PN排放均有不同程度的增加，其中，PN在高海拔下排放增长最快。房晟等[6]研究了不同海拔对甲醇-柴油双燃料发动机的燃烧稳定性的影响，并发现海拔的升高，峰值压力的循环波动系数明显升高，平均指示压力反而降低。

随着天然气发动机的广泛运用，高原环境对天然气发动机性能的影响不可忽略，因此，开展天然气发动机高原性能试验研究，有助于后期高原适应性的匹配优化。

2 测试设备及试验方法

2.1 测试设备

试验用机为一台满足国六排放法规的13 L电控多点进气道喷射、直列6缸、增压中冷天然气发动机，具体技术参数如表1所示。主要测试设备有576 kW电力测功机、气耗仪、AVL进排气海拔模拟和排放分析仪等，具体设备及型号如表2所示。其中，排放分析仪的测量原理、精度符合GB 17691—2018的技术要求。

2.2 试验方法

基于中汽研昆明检验中心的高原机动车台架试验室，利用AVL进排气海拔模拟系统模拟0～5 000 m对应的进气压力，并将发动机进气温度控制在（23±5）℃之间，进气相对湿度控制在（50±10）%之间，试验前先核对满负荷工况下的发动机状态，状态无误后，开始试验并记录外特性数据，对比分析海拔变化对天然气发动机性能输出的影响。

3 试验结果及分析

图1为全负荷工况下天然气发动机涡轮转速随海拔的变化关系。由图可知，在进行外特性试验时，平原条件下的涡轮转速最低，热负荷最小，使用寿命较长；在低转速工况下，随着海拔的升高涡轮转速不断增加，当发动机运行到高速工况下，涡轮转速逐渐达到限制值140 000 r/min，为此，在高原高速条件下，增压器的增压效果较差，造成吸入气缸内的气量减少，在供油量不变的情况下，参与燃烧空气与燃料的比例下降，缸内混合物浓度增加，燃烧恶化，缸内峰值压力降低，出现严重的后燃，使得燃烧效率下降，动力性衰退[7]。

图2为全负荷工况下天然气发动机进气流量随海拔的变化关系。由图可知，在同一工况下，随着海拔的不断升高，进入气缸参与燃烧的进气量显著降低，当发动机转速运行到高速区时，进气流量降幅最大，尤其是额定点工况，与平原相比，海拔在3 000 m、4 000 m、5 000 m时的进气流量下降幅分别为17.5%、32.1%和49%；进气流量在海拔2 000 m以下时的差异较小，主要因为平原地区有足够的进气充量，缸内燃料得以充分燃烧，排气能量较高，能为增压器提供足够的动力；另外，在高海拔地区，虽然提高转速可以为增压器提供足够的排气能量，但考虑到排气温度和增压器转速限制，导致高原环境下进气流量严重降低。

3.1 不同海拔对天然气发动机动力性的影响

图3为全负荷工况下天然气发动机输出扭矩和扭矩衰减率随海拔的变化关系。由图可知，在同一工况下，天然气发动机输出扭矩随海拔的升高不断降低，其中发动机转速越高，动力衰减的越严重；在低速工况下，输出扭矩差距较小，随着转速的升高输出扭矩不断降低。主要因为在低速工况下，排气温度和压气机转速均未超过限制值，进气流量与燃油消耗量差距较少，为此，发动机在低速工况下，输出扭矩受进气压力影响较小。

在转速为800 r/min的工况下，与平原相比，发动机在高原条件下的输出扭矩衰减率均小于2.5%。随着转速的升高，发动机在高原环境下输出扭矩不断减小，其中，额定转速工况下，发动机的扭矩衰减率最高，相比平原，海拔在3 000 m、4 000 m和5 000 m时的衰退幅度最大，分别为21.3%、35.7%和49.38%。主要是因为在高速下，受到增压器转速和涡后温度的限制，再加之高原环境下，大气压力较低，进入气缸的新鲜空气冲量减少，燃烧恶化，进而导致发动机输出扭矩迅速降低。

图4为全负荷工况下天然气发动机输出功率随海拔的变化关系。由图可知，随着转速的升高，高原条件下发动机的输出功率与平原相比显著降低，其中，海拔越高输出功率越低。天然气发动机在海拔2 000 m以下，由于大气压力相对较高，含氧量充足，在充足的进气量下，缸内的混合气能充分燃烧，做功能力差距较小。随着海拔的增加，进气压力进一步减小，缸内燃烧恶化和受到机械限制，导致随着转速的升高，输出功率显著降低，尤其是在高速工况下，功率衰减越发严重。

3.2 不同海拔对天然气发动机经济性的影响

图5为全负荷工况下天然气发动机有效燃气消耗率随海拔的变化关系。由图可知，随着海拔的增加，有效燃气消耗率不断增加，经济性下降。其中，转速在1 000～1 200 r/min之间时，该款天然气发动机燃气经济性最好。随着转速的升高，有效燃气消耗率不断增加，在额定点工况下，有效燃气消耗率最大，与平原相比，发动机在4 000 m和5 000 m的海拔下，有效燃气消耗率分别增加了7.4%和14.49%。主要是因为高海拔地区，进气压力、含氧量和进气量较小，导致缸内不能充分燃烧，经济性下降。

综上所述，天然气发动机在高原环境下原机动力性会出现较大的动力损失，为了使发动机有充足的动力输出，给出如下的高原标定优化方向：

a.对发动机低、中转速区进行增压器性能标定优化，或者匹配增压性更好的两级增压，使其发动机在中速、高速区增压压力更大，进气流量相较平原损失降低，进而有效改善重型天然气发动机在高原环境动力下降较为严重的问题[8]。

b.进行不同海拔下发动机的喷射提前角和点火提前角标定优化，使其天然气与进气有更多的时间充分混合，促进缸内燃气充分燃烧，进而改善高原环境下天然气发动机的动力性和经济性[9]。

c.进行不同海拔下喷油MAP的标定优化，使其不同工况下缸内天然气燃烧热效率最佳。

4 结语

a.在全负荷工况下，随着海拔、发动机转速的升高增压器转速不断增加，当增压器转速达到限制值后，增压效果减弱，进而造成进气流量严重减少。

b.在全负荷工况下，随着海拔的升高，天然气发动机的动力性不断降低，在低转速区，扭矩、功率衰减率在0.79%～17.96%之间，然而在高速区，扭矩、功率衰减率则可达1.42%～49.38%之间。

c.在全负荷工况下，随着海拔的升高，天然气发动机的有效燃气消耗率不断增加，其中，中间转速区燃气消耗率最低，高转速区的燃气消耗率最高，相比平原增加了14.49%。

参考文献：

[1]李剑，佘源琦，高阳，等.中国天然气产业发展形势与前景[J].天然气工业，2020，40（4）：133-142.

[2]张腾，韩文涛，纪常伟等.进气湿度对重型天然气发动机影响的试验研究[J].车用发动机，2023（1）：34-38.

[3]刘典云，郑永明，曾夏寒，等.不同海拔的重型国六柴油机外特性试验研究[J].内燃机与配件，2022（23）：1-3.

[4]肖仁鑫，梁大平，陈贵升，等.不同海拔下国六柴油机性能试验研究[J].汽车工程，2022，44（12）：1926-1935.

[5]雷蕾，於永华，申立忠，等.不同海拔下柴油机瞬态排放试验[J].内燃机学报，2023，41（5）：420-426.

[6]房晟，周德峰，王斌.不同海拔下甲醇-柴油双燃料发动机的燃烧循环波动研究[J].车用发动机，2021（4）：22-28.

[7]冀树德，张勃，刘峰春，等.柴油机高原动力性能仿真及环境模拟系统影响分析[J].车用发动机，2020（4）：84-92.

[8]张松，宁德忠，曹晟，等.增压方式对高原重型天然气发动机性能研究[J].内燃机与配件，2024（14）：25-28.

[9]肖红，苏强，骆葳.天然气发动机在不同喷射和点火时刻下的性能优化研究[J].内燃机，2014（2）：25-29.

作者简介：

郑永明，男，1983年生，高级工程师，研究方向为内燃机检验检测。