生物制氣發(fā)動機(jī)最大扭矩轉(zhuǎn)速燃燒排放分析

黃曉燕

(北京優(yōu)奈特燃?xì)夤こ碳夹g(shù)有限公司，北京 100124)

闡述了采用氣化爐熱解氣化各種農(nóng)林廢棄的生物質(zhì)，得到可燃生物制氣。將柴油機(jī)改制成柴油/生物制氣雙燃料發(fā)動機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，用生物制氣作為主要燃料，由柴油引燃。測量生物制氣/柴油雙燃料發(fā)動機(jī)在最大扭矩轉(zhuǎn)速時(shí)的氣缸壓力及廢氣排放，探討燃燒特性及對排放物生成的影響，并對比分析柴油機(jī)與雙燃料發(fā)動機(jī)的差別。

1 生物制氣簡介

熱作用下，含有大分子的生物質(zhì)體分解產(chǎn)生小分子氣體，例如氫氣、甲烷、乙烷等氣體，一氧化碳的則是由水氣和碳高溫的水碳反應(yīng)產(chǎn)生，其他組分也是熱分解產(chǎn)生。此外，因是高溫產(chǎn)出氣體，在高溫下該氣體攜帶了部分熱量，富含氫氣和一氧化碳，混有水分和揮發(fā)油類和粉塵等。冷卻后，氫氣和一氧化碳濃度進(jìn)一步提高，經(jīng)過處理后可用于燃燒或用于化工合成等。

2 試驗(yàn)分析

2.1 燃燒特性參數(shù)的變化規(guī)律

圖1 分別為柴油機(jī)和雙燃料發(fā)動機(jī)在n＝1650r/min，Pme=0.75 MPa 工況下的Pn 和放熱規(guī)律對比圖。由圖可知，雙燃料發(fā)動機(jī)在最大扭矩點(diǎn)工況，Pn 和壓力升高率(λp) 均比柴油機(jī)低，燃燒始點(diǎn)延遲，最大放熱率(dQ/d漬) max 較高。著火后，已混合好的大量可燃混合氣迅速燃燒，與燃用柴油時(shí)的擴(kuò)散燃燒相比，一旦著火后就釋放出大量熱量， (dQ/d漬) max 比柴油機(jī)高，后燃較多，tr也比柴油機(jī)要高。

圖1

1）Pmax的變化規(guī)律。燃料Pmax的變化趨勢隨負(fù)荷的增大，各種燃料的Pmax均呈增長趨勢；在10%負(fù)荷情況下雙燃料發(fā)動機(jī)Pmax與柴油機(jī)相當(dāng)；而隨著負(fù)荷的逐漸增大，柴油機(jī)的Pmax上升速率高于雙燃料發(fā)動機(jī)。柴油機(jī)的Pmax高于雙燃料發(fā)動機(jī)，導(dǎo)致最高燃燒溫度也高，是雙燃料發(fā)動機(jī)NOx排放值低于柴油機(jī)的一個(gè)重要原因。

2） λpmax 的變化規(guī)律。由兩種燃料最大扭矩點(diǎn)轉(zhuǎn)速下負(fù)荷特性的λpmax 對比可知，在75%的負(fù)荷下柴油機(jī)的λpmax 達(dá)到最大，之后下降，表明過濃的柴油混合氣不利于燃燒的迅速進(jìn)行，只有適中的混合氣濃度才適宜迅速燃燒。雙燃料發(fā)動機(jī)λpmax 低于柴油機(jī)。

2.2 最大扭矩點(diǎn)轉(zhuǎn)速下各負(fù)荷工況的排放性能

1） NOx 排放的變化趨勢。根據(jù)高溫NOx 的反應(yīng)機(jī)理，產(chǎn)生NOx 的要素是溫度、O2濃度和反應(yīng)時(shí)間；在足夠的O2濃度下，溫度越高、反應(yīng)時(shí)間越長，生成的NOx 就多。由于生物制氣中存在著大量CO2和N2，缸內(nèi)O2濃度比柴油機(jī)要低，噴油量少，壓力低，霧化差，導(dǎo)致缸內(nèi)溫度增加緩慢，燃燒速度較低，燃燒壓力和溫度比柴油機(jī)低，所以NOx 排放比柴油機(jī)低。

2） THC 排放的變化趨勢。在最大扭矩點(diǎn)轉(zhuǎn)速的整個(gè)負(fù)荷范圍內(nèi)，雙燃料發(fā)動機(jī)的THC 排放量遠(yuǎn)大于柴油機(jī)。其原因?yàn)楣┥镏茪獾倪^程是一連續(xù)過程，有一部分未燃燃料隨排氣排出，使排氣成分中未燃CH4數(shù)量增多，排氣成分中THC 總量增大。燃燒時(shí)O2濃度比柴油機(jī)低很多，且雙燃料發(fā)動機(jī)燃燒速度緩慢，后燃嚴(yán)重，因而CO 和THC 排放高。隨負(fù)荷的增大，柴油機(jī)和雙燃料發(fā)動機(jī)的THC 排放值均呈下降趨勢。雙燃料發(fā)動機(jī)滿負(fù)荷的THC 排放量是10%負(fù)荷的1/6，說明其在低負(fù)荷下，由于混合氣濃度較稀，生物制氣燃燒過程有猝滅的可能。

3） CO 排放的變化趨勢。柴油機(jī)的CO 排放量低于雙燃料發(fā)動機(jī)，其原因與THC 有些相似，供給生物制氣的過程是一連續(xù)過程，有一部分未燃CO 隨排氣排出，使排氣成分中未燃CO 數(shù)量增多，燃燒時(shí)02濃度相對柴油機(jī)很低，從而CO 的排放較柴油機(jī)要高。隨著負(fù)荷的增加，柴油機(jī)和雙燃料發(fā)動機(jī)燃燒產(chǎn)生的CO 排放量都趨于降低，但在滿負(fù)荷時(shí)突然升高。在低負(fù)荷時(shí)，缸內(nèi)的O2含量雖相對較高，但由于混合氣較稀薄，燃燒反應(yīng)能量不足，從而產(chǎn)生較多的CO 排放。

4) 煙度的變化趨勢。從以上分析可知，雙燃料發(fā)動機(jī)的煙度低于柴油機(jī)。10%負(fù)荷時(shí)，柴油機(jī)缸內(nèi)溫度低，燃燒組織不好，燃料及竄入燃燒室中的機(jī)油未完全燃燒，從而煙度較大；在25%和50%負(fù)荷時(shí)，煙度較10%負(fù)荷時(shí)有較大的降低，即中負(fù)荷時(shí)煙度較低；在75%和100%負(fù)荷時(shí)煙度較高，這是因隨著負(fù)荷的增加，過量空氣系數(shù)減小，燃燒向缺O(jiān)2方向發(fā)展，從而煙度增加。雙燃料發(fā)動機(jī)的煙度隨著負(fù)荷的增加而升高，其原因是生物制氣與空氣預(yù)混均勻進(jìn)入氣缸燃燒，柴油根據(jù)發(fā)動機(jī)的負(fù)荷增加而增加，在小負(fù)荷時(shí)，參與燃燒的燃油較少，主要燃燒生物制氣與空氣的均勻混合氣，所以煙度較低；隨著負(fù)荷的增加，循環(huán)噴油量增加，和柴油機(jī)相似，煙度升高。

3 結(jié)語

生物制氣是通過熱化學(xué)反應(yīng)由固體生物質(zhì)轉(zhuǎn)換而得到的，主要的原料為各種農(nóng)業(yè)廢棄物和薪柴等林業(yè)廢棄物。生物質(zhì)經(jīng)氣化爐缺O(jiān)2燃燒熱解氣化后產(chǎn)生可燃生物制氣，主要成分包括N2、CO2、O2、H2、CO、CH4、HC 及焦油等。生物制氣的熱值較低，并存在著大量不可燃?xì)怏w，對燃燒有強(qiáng)烈的抑制作用。