發電用沼氣/汽油雙燃料電控發動機性能研究

蔣 晶，金 明，韋志康

(1.廣西職業技術學院，南寧 530226;2.三一重工股份有限公司(湖南長沙)，長沙 410100；3.廣西大學，南寧 530004 )

0 引言

隨著世界石油資源的日趨減少，各國科學家和研究者都在探索替代石油的新型能源，而沼氣是眾多能源中公認的可再生清潔較理想的能源之一。據相關研究，到2020年，中國沼氣產量可達270億m3，相當于3 000萬t原煤的數量[1]。而沼氣發電是沼氣最主要的用途之一，對開發可再生能源的意義十分重大。因此，將農村常用小型汽油機改進成沼氣雙燃料發動機進行發電。研究沼氣汽油雙燃料發動機的性能，以充分利用沼氣資源對于緩解石油能源緊張的壓力及環保等方面有著重要的實用價值。

目前，國外對沼氣發動機應用技術較成熟，德國已根據功率大小、需求不同采用雙燃料機組和純沼氣機組進行發電應用，英國已將沼氣發動機應用于“Bio-Bug”的甲殼蟲轎車上。國外進行了沼氣在不同壓縮比的雙燃料發動機性能研究[2]，對沼氣柴油雙燃料發動機在噴油正時和壓縮比方面進行了優化研究[3]。國內對柴油沼氣雙燃料發動機的研究開發較多，如甘肅農業大學在ZS1115 單缸柴油機的基礎上進行改進設計，研究了沼氣柴油雙燃料發動機性能[4]。北京交通大學在改進后的單缸柴油機上進行了模擬摻燒氫的試驗，對發動機的相關性能進行了對比研究[5]。富陽的李民等對常規柴油發電機組改裝和調試后的沼氣-柴油雙燃料發動機的經濟性及效益性方面進行了分析研究[6]。相對而言，我國對小型汽油雙燃料發動機應用研究較少。在我國，通用小型汽油機產量較高，且傳統的以化油器式的小型汽油機還比較廣泛，特別是在一些農村地區，它們的主要用途用于發電。此類發動機排放惡劣，為減少對大氣污染而又能較好地利用此類發動機，非常有必要對它進行研發改進。國內近幾年已有對小型汽油發動機的性能改進進行了相關研究，如江蘇大學王健等對168F發動機進氣系統進行了優化設計改進，通過改變點火提前角等參數改善了原發動機的動力性和經濟性能指標[7-8]。江蘇大學劉勝吉對自主研發的168F電控燃油發動機進行了性能研究分析[9]。這些對小型汽油機改進成電控發動機后的性能或改進后的汽油沼氣非電控發動機性能進行了研究分析，但缺少對小型汽油發動機改進成汽油沼氣雙燃料電控發動機性能方面的研究。

由于沼氣的特性，純沼氣發動機啟動性能欠佳，如能利用汽油進行引燃，或與汽油混合燃料，則啟動性能更能突出。如果能充分利用電控發動機的控制優勢，對汽油沼氣雙燃料電控發動機性能研究，在環保節能的發電產業促進方面有著重要的應用研究價值。為此，在對現有電控技術的研究基礎上，改進原有168F汽油機進行改造成沼氣汽油雙燃油電控發動機，并對其綜合性能進行了試驗測試評比。

1 試驗裝置及研究方法

本試驗是在168F汽油機的基礎上進行改進的，試驗用樣機168F發動機的相關參數如表1所示。

表1 168F汽油機主要參數

對168F發動機的進氣系統燃料供給系統進行改進，加裝噴油器和噴氣器等部件；利用自行研制的ECU裝置對噴氣和噴油進行控制；通過改變沼氣的摻燒比率，測試樣機的功率、燃油耗率及尾氣排放數據，研究發動機的性能狀況。試驗用QF-12直流電力測功機進行功率測試，在測試之前可作啟動機用，把發動機手拉啟動變成電動啟動。試驗裝置示意圖如圖1所示。

圖1 試驗裝置示意圖

2 試驗及結果分析

建立汽油/沼氣最佳摻燒比的數據庫后，利用AT89S52單片機對由168F汽油發動機改裝成的汽油/沼氣雙燃料發動機在不同工況下的最佳摻燒比進行控制。在相同工況條件下，利用自行設計的進氣道噴射控制系統，以改裝成的電控發動機為試驗裝置，分別用燃用汽油和沼氣/汽油雙燃料進行外特性試驗及部分速度特性試驗；最后，對發動機的前后綜合性能進行對比分析。試驗測試部分數據如表2所示。其中，能耗率就是發出每千瓦時的功所需要的熱能值；發動機外特性即節氣門開度開至100%位置時，發動機的動力性能、經濟性能指標在額定轉速范圍內隨轉速n而變化的規律特性。

表2 沼氣/汽油雙燃料發動機外特性試驗對比數據

2.1 動力性能能比較分析

據相關研究資料，轉矩儲備系數和適應性系數是評價發動機適應外界阻力矩變化能力的參數指標[10]。可根據發動機外特性曲線的數據進行計算。

2.1.1 發動機扭矩儲備系數

發動機轉矩儲備率的計算公式為

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(1)

式中Memax—標定工況速度特性的最大扭矩(N·m)；

Me—標定功率時的扭矩(N·m)。

根據外特性試驗性能測試數據及計算公式可求出168F發動機改造前后的轉矩儲備系數。原汽油機的扭矩儲備系數為

沼氣/汽油雙燃料電控發動機的扭矩儲備系數為

以上計算數據表明：沼氣/汽油雙燃料發動機的扭矩儲備系數比原機大0.6%，說明改裝后的雙燃料發動機具備了足夠的承載能力。

2.1.2 發動機轉矩適應性系數

發動機轉矩適應系數為

(2)

根據外特性試驗性能曲線數據可求出轉矩適應性系數，則原機轉矩適應性系數為

沼氣/汽油雙燃料電控發動機的轉矩適應性系數為

由此分析比較可見：沼氣/汽油雙燃料發動機的轉矩適應性系數比原機稍大，也就是說改造后的沼氣/汽油雙燃料發動機輸出能滿足實際的需要。

2.1.3 輸出功率比較分析

在不同負荷工況下，對改進后的發動機進行功率測試，并與原機進行比較。根據試驗測得指示功率，繪制相應的輸出功率曲線圖如圖2所示。

由圖2可知：在中等負荷及以上時，輸出功率都隨轉速的上升而呈現線性變化趨勢，而在小負荷時先隨著轉速增加后隨著轉速下降；在全負荷近2 800r/min時，雙燃料發動機與原機輸出功率相當；在75%負荷時，在轉速為1 600r/min時與原機輸出功率最接近；在25%小負荷時，與原機相比，雙燃料發動機功率下降非常明顯，特別是在1 800r/min以上，最大時約下降13.2%，主要是因為空氣供給不足，燃料不能完全燃燒?？梢?，中小負荷時純汽油發動機的輸出功率要比雙燃料發動機的大，即中小負荷時沼氣/汽油雙燃料發動機的功率比原機要有所下降；而在全負荷中等轉速時功率輸出非常接近原機，在大負荷中低轉速時輸出功率與原機的幾乎一樣。

圖2 不同負荷時的輸出功率

2.2 發動機燃油經濟性能分析比較

根據試驗測得的燃油消耗率數據及相應的當量燃油消耗的計算公式，計算出相應的燃油消耗率及能耗率并繪制相應的曲線圖如圖3和圖4所示。

圖3 不同負荷時的燃油耗率

由圖3可知：雙燃料發動機的燃油消耗率在大負荷、全負荷時要遠遠低于原機，最大省油近9.4%；在中等負荷時也低于原機，因這些工況下可摻入沼氣燃料從而達到省油的效果；在小負荷低轉速時與原機的燃油消耗幾乎是一樣的，因為在小負荷低轉速時，若摻入沼氣由于進氣量的不足等原因而容易導致發動機失火，因而此時不能摻或摻入的量很少。

圖4 不同負荷時的能耗率

由圖4可知：在全負荷和大負荷工況下，能耗率隨著轉速的上升面下降，在一定轉速后又隨著轉速的上升而增加；在中等負荷時，雙燃料的能耗率隨轉速改變變化的不明顯，而原機整體上隨轉速變化呈現上升趨勢變化；在小負荷時能耗率都隨著轉速的變化而呈現上升變化趨勢?？梢?，改進后的雙燃料發動機在大負荷、小負荷等不同工況下的能耗率都要比原機高，在中等負荷中高速時的能耗比與原機非常接近，這主要是因為雙燃料發動機的輸出功率有所下降等原因。

2.3 發動機排放性能分析比較

對不同工況下所測得的排氣溫度數據進行整理，繪制相應曲線如圖5所示。

圖5 不同燃料排氣溫度曲線的比較

由圖5可以看出：沼氣/汽油雙燃料發動機在高負荷及低負荷時的排氣溫度要高于純汽油機，在中等負荷時也基本高于原機，在中等負荷高速時排氣溫度要比純汽油的低；而在全負荷中速時低于原機，在全負荷高速時其排氣溫度高于原機近100℃。這說明雙燃料發動機在高負荷時，燃料應能充分地燃燒可放出大量的熱能。

用尾氣分析儀測試發動機的排放性能，在穩定發動機轉速為2 800r/min,對不同負荷下的排放物含量測試，根據測得的數據繪制排放特性圖如圖6所示。

圖6 不同負荷時的排放物比較

由圖6可知：沼氣/汽油雙燃料時發動機排放的HC、CO及NOX化合物都有所下降，改進后的純汽油工作模式時與雙燃料時的排放性能很接近，而HC排放在全負荷時的下降不太明顯。其中，HC和CO在中小負荷時比原機下降得較多，而當到大負荷時也有所下降；NOX在中等負荷時下降很大。這與在中小負荷時的設置的以經濟性和排放性為主要控制目標有關。在大負荷時，3種排放都下降得比較小，主要是因為在大負荷時，噴的燃料較多，形成的混合氣較濃，而導致一些燃料不完全燃燒的結果。

3 結論

1)雙燃料發動機，輸出功率略有下降，其動力性能非常接近于原機。168F型汽油機改造成的沼氣/汽油雙燃料發動機的轉矩適應性系數比原機大0.6%，轉矩適應性系數比原機稍大，有足夠的承載能力。在自行設計的電控單元控制下，在全負荷近2 800r/min時雙燃料發動機與原機輸出功率相當；在小負荷時，在1 800r/min以上，輸出功率最大時約下降13.2%，其他工況下輸出功率接近原機。

2)沼氣/汽油雙燃料發動機在高負荷及低負荷時的排氣溫度要高于純汽油機，在中等負荷時也基本高于原機，燃料燃燒較完全；而在全負荷中速時低于原機，在全負荷高速時其排氣溫度高于原機近100℃。

3)雙燃料發動機的燃油消耗率在大負荷、全負荷時要遠遠低于原機，最大省油近9.4%，在中等負荷時也低于原機。即整體上，當量燃油消耗率下降，能耗率上升，即經濟性能明顯提高，能達到節能效果。

4)沼氣/汽油雙燃料時發動機排氣溫度基本上高于純汽油機，其排放的HC、CO及NOX化合物都有所下降，HC和CO在中小負荷時比原機下降得較多，NOX在中等負荷時下降很大，環保方面明顯改善。

參考文獻：

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