沼氣-汽油混合發(fā)動機研究

杜丹豐，牛文林，郭秀榮

（東北林業(yè)大學交通學院，哈爾濱 150040）

當今世界，能源問題是最關(guān)鍵的問題之一，最近幾年不斷增加的原油價格時刻威脅世界經(jīng)濟的穩(wěn)定，特別是發(fā)展中國家的經(jīng)濟穩(wěn)定。另外，燃燒產(chǎn)品含有污染物，如CO、HC、NOx、煙塵等嚴重危害人體健康，而燃燒的主要產(chǎn)品CO2又是溫室效應氣體。針對此種狀況，各國都在尋找和開發(fā)低排放新能源。

沼氣是一種在厭氧條件分解有機物質(zhì)且二氧化碳排放低的燃料。沼氣主要含有甲烷（50%～80%）、CO2（15%～45%）和其他雜質(zhì)，如硫化氫。如果將沼氣中的雜質(zhì)提煉，就可以將其變成與天然氣性質(zhì)相同的燃料。發(fā)達國家如美國、法國、德國、丹麥等早已利用垃圾填埋場沼氣發(fā)電。在發(fā)展中國家，沼氣生產(chǎn)技術(shù)的家庭使用已經(jīng)成為流行趨勢，尤其是在印度、中國和東盟國家［1］。

目前，在中國農(nóng)村地區(qū)沼氣能源大多用于烹飪。然而，不斷增長的能源需求進一步推動家庭能源的發(fā)展，促使沼氣發(fā)電設(shè)備在以農(nóng)業(yè)為基礎(chǔ)的行業(yè)中使用。發(fā)展和應用沼氣發(fā)電技術(shù)，使用以沼氣作為燃料的小功率內(nèi)燃機，可滿足電力需求，提高收入以及保護當?shù)丨h(huán)境。本文從專門的燃料供應系統(tǒng)方面對沼氣 汽油混合發(fā)動機進行研究。

1 理論建模

一般情況下，碳氫化合物的燃燒模型可表達如下：

假設(shè)燃燒物質(zhì)在熱力學平衡狀態(tài)，發(fā)動機燃燒室模型應用需要火焰?zhèn)鞑ヒ?guī)律。由于燃燒室壁產(chǎn)生變形，假定火焰前鋒是球形。這里計算燃燒室燃燒應用雙區(qū)模型［2］，將混合物和燃料燃燒的火焰分開。在燃燒室內(nèi)流體熱力學狀態(tài)［3］可由以下方程表示：

式中：V、T、p、R、θ、cv、Q分別表示壓力、溫度、體積、氣體常數(shù)、曲軸轉(zhuǎn)角、比熱容、內(nèi)能，下標 b、u分別表示已燃、未燃。計算應用到發(fā)電機組用KG144型單缸汽油發(fā)動機，功率為1.45 kW，壓縮比為8.5，缸徑和行程分別51 mm和42 mm，排氣量53.5 mL。沼氣含有80%的CH4，汽油為93＃無鉛汽油。圖1比較了發(fā)動機在汽油和沼氣推動下氣缸燃燒壓力的變化，可見最大燃燒壓力比汽油供給時低10%左右［4］。

圖1 發(fā)動機汽油在汽油和沼氣推動下氣缸燃燒壓力變化比較

圖2 列出了不同甲烷濃度下的沼氣燃料燃燒室壓力變化。結(jié)果表明，最大的壓力增加10%時，沼氣中甲烷濃度值從60%增大到80%。當甲烷濃度大于60%，沼氣可以直接適用于發(fā)動機。在一些沼氣池，甲烷濃度低于該值［5］。在這種情況下，低負荷時直接使用沼氣啟動發(fā)動機非常困難。因此，沼氣 汽油混合發(fā)動機是最好的解決方案。

2 實驗

利用沼氣作為燃料的發(fā)動機，需要首先過濾產(chǎn)生的氣體，消除雜質(zhì)（稱為沼氣過濾），其中H2S和 CO2是主要物質(zhì)［6-8］。沼氣 汽油混合發(fā)動機沼氣供應系統(tǒng)見圖3。

圖2 不同甲烷濃度下的沼氣燃料燃燒室壓力變化

圖3 沼氣 汽油混合發(fā)動機沼氣供應系統(tǒng)

該系統(tǒng)的主要特點是汽油噴射封閉。汽油系統(tǒng)在發(fā)動機工作時只有啟動和怠速時供油。沼氣通過流量控制閥提供給發(fā)動機，在啟動和怠速工況時，發(fā)動機燃料為汽油。當負載增加，蝴蝶混合閥被打開，噴油器真空空轉(zhuǎn)下降，使汽油噴射停止而流量控制閥逐漸打開，發(fā)動機開始使用沼氣來運行。

圖4 混合閥和沼氣控制閥之間動作關(guān)系

有了這個系統(tǒng)，發(fā)動機可以在啟動時輕松運行，在空轉(zhuǎn)狀態(tài)下穩(wěn)定運行，特別是在應用缺乏CH4的沼氣燃料時。沼氣閥圓錐針位移l和混合閥閥板轉(zhuǎn)角β之間的關(guān)系可由下式計算：

式中：SO、SV分別為進氣管截面積和閥板面積；φ是混合物的同等比例；C是沼氣和空氣質(zhì)量比；ρB、ρm分別是沼氣和混合物的密度；ΔPB、ΔPm分別為沼氣閥和混合閥上下游的壓力差；D是沼氣閥孔直徑；α是沼氣閥圓錐針錐角。

噴油器的直徑根據(jù)沼氣消耗量來進行計算。實驗中，沼氣流動與供應的壓力和噴孔直徑之間的關(guān)系如下：

式中：Q為沼氣流量（m3／s）；ΔP為沼氣存儲袋壓力（N／m2）；d為注射器直徑（m）；K為常數(shù)。研究表明，K＝0.45。

圖5 沼氣 汽油混合發(fā)動機CO排放比較

發(fā)電機供應負荷小組由500 W的電燈泡啟動后，發(fā)動機在怠速工況運行時，發(fā)電機輸出電壓約40 V。提高發(fā)動機轉(zhuǎn)速后，得到的輸出電壓為220 V。此時，發(fā)動機開始使用沼氣來運行。當打開或關(guān)掉500 W的燈泡時，電壓波動小于正常電壓的5%，滿足電力生產(chǎn)質(zhì)量要求。

比較不同情況下發(fā)動機燃用汽油和沼氣時的排放水平，污染測量結(jié)果如圖6和圖7所示。測量數(shù)據(jù)時，進行了變負荷模式。結(jié)果表明，在運行時排氣中的污染物濃度產(chǎn)生了非常少量的變化，發(fā)動機（約0.07%的CO和30×10-7的HC）減少了78%的CO和60%的HC排放。

發(fā)動機消耗1 m3沼氣可生產(chǎn)1 kW·h的電力。1 kW發(fā)電機在10 h內(nèi)發(fā)動機消耗5 L的汽油，CO2排放量是2.31 kg／liter。上述1 kW發(fā)電機運行10 h／d，發(fā)動機 CO2排放量為 11.55 kg／d或3.5 t／a。因此，電力生產(chǎn)1 kW·h的沼氣將有助于減少1 kg CO2排放量。如果在發(fā)動機上沼氣，可以減少CO2排放約3.5 t／a。如果使用沼氣發(fā)動機，每年可以減少35.00 t的CO2排放量，這對緩解全球變暖是一個相當大的貢獻。

圖6 沼氣 汽油混合發(fā)動機CO排放比較

圖7 沼氣 汽油混合發(fā)動機HC排放比較

3 結(jié)論

在中國農(nóng)村地區(qū)沼氣能源的潛力很大，使用這種能源對解決國家能源與環(huán)境問題將是一個重要的貢獻。采用沼氣-汽油混合燃料供應系統(tǒng)，生產(chǎn)1 kW·h電力，發(fā)電機輸出電壓的波動小于正常電壓的5%。沼氣-汽油混合發(fā)動機每消耗1 m3的沼氣，有助于減少1 kg的CO2排放量。采用雙動調(diào)節(jié)器可以提供良好的、穩(wěn)定的發(fā)動機轉(zhuǎn)速。