沼氣發電內燃機性能提升優化研究

摘要：為降低開發成本和縮短開發周期，針對車用天然氣發動機改制成中小功率的沼氣發電內燃機進行可行性研究。首先建立發動機的一維性能仿真模型，并利用車用發動機的臺架試驗數據對模型進行標定，通過標定的模型對兩種壓縮比改制方法進行對比分析，并綜合優化壓縮比大小、進氣開啟持續期、進排氣開啟相位和點火提前角等參數。結果表明：采用變燃燒室容積改變壓縮比的方法整機性能更優，改制后的沼氣發電內燃機宜采用14壓縮比，沼氣發電內燃機宜采用較小的進氣開啟持續期；優化設計后較原機的功率增大3.01%，比氣耗降低2.8%，排氣溫度有所降低，更有利于提高排氣管的使用壽命。

關鍵詞：沼氣發電內燃機；壓縮比；點火提前角；配氣相位

中圖分類號：S218.5; TH432 文獻標識碼：A 文章編號：2095?5553 （2024） 11?0113?06

Research on performance improvement and optimization of biogas internal

combustion engine

Yang Hanqian1， Hu Zhijian1， Jiang Yandan2， Sui Cheng2， Fu Jianqin3， Cao Suifeng1

（1. College of Mechanical and Electrical Engineering， Central South University of Forestry and Technology， Changsha，

410004， China; 2. Zoomlion Heavy Industry Science and Technology Co.， Ltd.， Changsha， 410006， China;

3. Hunan University， Changsha， 410082， China）

Abstract： In order to reduce the development cost and shorten the development cycle， automotive natural gas engines were converted to small and medium power biogas power internal combustion engine， and this paper addresses the feasibility of this approach. Firstly， a one?dimensional performance simulation model of the engine was established， and the model was calibrated and verified by using the bench test results of the automotive natural gas engine. The two compression ratio modification methods were compared by means of a calibrated model， and parameters such as the size of the compression ratio， the duration of intake opening， the phase of intake and exhaust opening， and the ignition advance angle were optimized. The results showed that the method of changing the compression ratio by using the variable combustion chamber volume had better engine performance， and 14 compression ratio and smaller intake opening duration were desirable for converted biogas power internal combustion engine. Compared to the original engine， the optimized engine's power was increased by 3.01% and specific gas consumption was reduced by 2.8%， and the exhaust temperature was reduced， which was more conducive to improving the service life of the exhaust pipe.

Keywords： biogas power generation engine; compression ratio; ignition advance angle; gas distribution phase

0 引言

沼氣是一種可燃混合氣體，是生物質（農林廢棄物、生活垃圾及畜禽糞便等）經過發酵形成的一種清潔碳中性能源，熱值為20～25 MJ/m3，來源十分廣泛。研究表明，以豬糞為例，每噸糞便可產生沼氣約為60 m3[1]。其成分CH4占55%～75%，CO2占24%～44%，H2S等其他氣體約為1%。迫于能源短缺與環境惡化的雙重壓力，大規模開發利用生物質能源，有助于推動我國能源結構調整和低碳經濟發展，保障美麗鄉村建設等國家重大戰略實施。

將沼氣用于內燃機發電是沼氣主要用途之一。由于養殖場規模大小不一，而且當前我國以中小規模的養殖場居多，適配的發電機組難以統一。目前市場上沼氣發電機組產品單一，尤其缺少中小功率沼氣發電機組。采用車用氣體機、柴油機或汽油機改制成沼氣發電內燃機是一種可行的低成本開發路徑。

然而，將車用內燃機直接用作沼氣發電難以充分發揮應有性能。車用內燃機轉速范圍廣，最優設計工況通常為最大扭矩點或最大功率點，在設計時還需兼顧高、中、低轉速的整體性能，而沼氣發電內燃機工作轉速恒定（通常是1 500 r/min），導致車用內燃機的最佳設計工況與沼氣發電內燃機的常用工況不一致。因此，開展車用內燃機改制成高效、清潔和可靠的沼氣發電內燃機的相關研究，對推廣沼氣發電具有十分重要的意義。

針對沼氣內燃機性能優化問題，國內外開展了一些研究。如甘肅農業大學開展了沼氣/柴油雙燃料農用發動機的壓縮比對動力性的影響研究[2]；北京交通大學在一臺改裝的單缸柴油機上進行了模擬沼氣摻氫燃燒的試驗研究[3]。廣西大學盤朝奉[4]開展了以沼氣為燃料的車用發動機改裝及其性能參數優化試驗研究，結果表明通過提高汽油機的壓縮比和增大點火提前角，能夠改善沼氣發動機的燃燒。Bora等[5]將一單缸柴油機上改成沼氣和柴油雙燃料供油系統，并開展噴油正時和壓縮比試驗研究。劉敬平等[6]通過試驗研究了空燃比、點火提前角、配氣相位等參數對稀薄燃燒車用天然氣發動機動力性和排放特性的變化規律。官維等[7]通過發動機臺架測試分別探究了EGR氣體和EGR所含水汽以及5、6缸位置進氣（右側進氣）與3、4缸位置進氣（中間進氣）對當量燃燒天然氣發動機各缸燃燒一致性的影響規律。張騰等[8]研究了進氣濕度對天然氣發動機性能和排放的影響。李長錕等[9]基于CONVERGE軟件仿真研究了空氣加濕技術和廢氣再循環對發動機燃燒過程及排放的影響，結果表明進氣加濕降低NOX排放潛力較大（約55%），且對燃料經濟性惡化程度較小（約1.6%）。

現有研究主要針對車用發動機以沼氣作為替代燃料開展了燃料成分、控制參數和結構參數變化對性能的影響。鮮有針對發電內燃機機組的使用工況，開展對沼氣發電內燃機的結構參數和控制參數綜合研究。為全面提升中小功率沼氣發電機的性能，本文針對一款排量為10 L的中小型沼氣發電機組（利用車用天然氣發動機改制成），開展關鍵結構參數（壓縮比、進氣凸輪型線、排氣凸輪型線）和控制參數（點火正時）對性能的影響研究，并采用DoE全因子法[10]開展響應面分析[11]，分析確定最佳的各種設計參數和控制參數，并總結歸納相關優化設計分析流程。

1 沼氣發電內燃機性能提升優化流程

基于沼氣低碳清潔環保的特性[12]，考慮到沼氣中含有大量CO2，因此本文性能提升的主要目標是整機的功率和比氣耗，主要途徑有：（1）提高新鮮空氣進氣量；（2）提高混合氣燃燒效率；（3）提高熱功轉化效率。整機設計優化需兼顧改制成本與性能提升程度，因此考慮優化的主要結構參數為壓縮比、進氣凸輪型線、排氣凸輪型線、渦輪增壓器等，控制參數主要有點火正是和空燃比等。盡管發電內燃機的工況簡單，但是影響內燃機性能的參數眾多，且相互關聯影響。因此，本文針對沼氣發電內燃機的開發特點，總結形成一套優化流程，如圖1所示。

2 建模與標定

2.1 一維性能仿真建模

改制的車用天然氣發動機主要結構參數如表1所示。針對沼氣發電機組的工作轉速1 500 r/min，通過一維仿真軟件GT-suite建立改制前原機仿真模型，模型主要由進氣系統、排氣系統、氣缸、曲軸箱和增壓器等模塊組成，如圖2所示。

對于外部混合的內燃機一般選擇韋伯燃燒模型，該燃燒模型主要分為預燃、主燃、末燃三個階段，通過調整不同階段的燃燒比例、形狀參數、燃燒持續期來確定沼氣燃燒過程中的放熱模式。考慮到沼氣的CO2含量比較高，為了降低二氧化碳排放量，在沼氣引入內燃機缸內燃燒之前，采用脫碳技術對沼氣的甲烷進行比例控制，其中沼氣甲烷含量為75%，二氧化碳含量為25%。為了保證整機輸出功率，本文開展的各項優化試驗空燃比均采用理論空燃比。

2.2 模型標定

通過原機在發電機組額定工況點的臺架試驗數據標定了仿真模型的準確性和可行性，主要校準參數有功率、空氣流量、比氣耗、排溫、熱效率和缸內壓力。表2為發電機組額定功率工況點的仿真與試驗結果的對比，圖3為缸內壓力標定結果。各項參數誤差均小于3.0%，滿足工程計算精度要求，說明該仿真模型能真實反映沼氣發電內燃機的工作特性，為仿真優化提供了可靠的基礎模型。

3 壓縮比兩種改變方法對性能的影響

提高壓縮比能有效改善發動機的經濟性，提高發動機的動力性[13]。改變壓縮比的方法主要有兩種，一種是改變工作容積（變行程），另一種是改變燃燒室容積（定行程）。圖4為發動機氣缸結構示意圖。壓縮比計算如式（1）和式（2）所示。

[vd=πD24S×10-6] （1）

[ε=vavc=vc+vdvc=1+vdvc] （2）

式中： [ε]——壓縮比；

D——氣缸直徑；

S——活塞行程；

[va]——氣缸總容積；

[vd]——工作容積；

[vc]——燃燒室容積。

表3是兩種不同壓縮比改變方法下各結構參數的數值。可知同等壓縮比下，定行程的燃燒室容積更小。

不同壓縮比設計方案的試驗結果如表4所示。不管哪種壓縮比改變方式，壓縮比越大，動力性越好，經濟性得到改善；其中在活塞定行程（變燃燒室容積）下，壓縮比為14的功率最大，比氣耗最低，方案最優。事實上該定行程方案也有利于減小結構改動成本。

4 進氣、排氣參數對提升性能的影響

4.1 進氣持續期對提升性能的影響

沼氣發電機內燃機的工作工況屬于線工況，有別于車用發動機的面工況，因此需要優化進排氣凸輪開啟持續期。根據單因素法原理[14]，仿真研究了3種壓縮比下不同進氣持續期（角度倍增系數）對沼氣發電內燃機的性能影響。如圖5所示，進氣持續期的增大或減小是在保持進氣提前角和氣門升程不變的情況，通過改變角度倍增系數來改變氣門開啟持續期，進而提高進入缸內的新鮮空氣質量。

圖6（a）為三種不同壓縮比下的功率隨進氣持續期的變化規律，可知在同一角度倍增系數下，壓縮比越大，功率越大；適當縮小角度倍增系數，有利于提高功率，增大進氣量，如圖6（b）所示。這是因為原機是車用發動機，最高轉速達2 100 r/min，為了利用高轉速的進氣流動慣性，故采用較大的進氣遲閉角。

相應地，從圖6（b）可知，增加壓縮比后，缸內進氣量稍微降低，這是氣缸總容積變小所致。從圖6（c）可知，缸內進氣量愈大，更有助于降低沼氣比氣耗。但缸內最大爆發壓力主要受壓縮比的影響最大，壓縮比越大，爆發壓力越高，如圖6（d）所示。當角度倍增系數為0.9時，最大爆發壓力為14.3 MPa，低于原機設計的最大爆發壓力15 MPa。因此，沼氣發電內燃機將壓縮比增加至14時，缸內最高爆發壓力仍滿足設計容許最大壓力值。圖6（e）展示了14壓縮比下不同角度倍增系數對應的進氣門瞬時質量流量，隨著進氣持續期增大，在活塞向上壓縮時氣缸內的氣體重新又壓回進氣管，導致最終進氣質量減少。因此，選取最優進氣持續期角度倍增系數為0.9。

4.2 氣門相位對提升性能的影響

在上文進氣持續期優化的基礎上，保持原機氣門升程曲線和進氣持續期不變，對沼氣發電內燃機進行進、排氣門相位優化。根據空氣壓力波動理論，內燃機同一轉速下進排氣管內的動態壓力波形相似。因此，本研究針對最大功率點采用DoE全因子法（Full Factorial）對配氣相位進行優化分析，獲得功率隨進氣門和排氣門開啟正時的響應面。進氣門開啟角的優化范圍為321°～346°，排氣門開啟角優化范圍為110°～135°，壓縮比的范圍為12～14，優化變量如表5所示。

圖7、圖8分別為3種壓縮比對應的功率和比氣消耗率受進氣和排氣開啟角的影響。在原機壓縮比為12時，進氣開啟角為326°，排氣開啟角為120°時達到最優，相比原機配氣相位功率提升了0.44 kW，沼氣消耗率下降了0.6 g/（kW ? h）。將壓縮比提高到13和14時，最大功率點和最低比氣耗點的進氣開啟角仍為326°，排氣開啟角為120°，功率分別提升了1.88 kW和2.75 kW，沼氣消耗率分別下降了2.1 g/（kW ? h）和3.0 g/（kW ? h）。結果表明，車用天然氣發動機改制成沼氣發電內燃機，進氣門開啟角應適當提前10°，有利于提高缸內新鮮充量；排氣門開啟角也應適當提前5°，有利于充分排氣，降低缸內殘余廢氣量。

5 點火提前角對提升性能的影響

點火提前角是影響發動機燃燒損失的重要參數，不同工況都對應著不同的最佳點火時刻。由于受沼氣產氣率和用電負荷的波動，沼氣發電內燃機常在恒轉速（1 500 r/min）下不同負荷下工作。在前文優化氣門開啟持續期和相位的基礎上，下文將針對最大負荷工況下沼氣發電內燃機點火提前角進行優化。

由于點火提前角決定CA50（即累積放熱量為總放熱量的50%時對應的曲軸轉角），而且CA50更能反映缸內熱工轉換過程。CA50越小，離上止點越近，即意味著點火提前角越大。圖9（a）為功率隨CA50的變化規律，原機的CA50為10.5，而壓縮比12、13和14的最大功率點對應的CA50分別是11.25、12.25和13.25，相較原機功率分別提高了0.25%、1.33%、2.16%。試驗結果表明，壓縮比越大，最大功率點對應的CA50越大。

圖9（b）是比氣耗隨CA50的變化規律，3種壓縮比設計方案在最大功率點的沼氣消耗率分別降低了0.18%、1.23%、2.04%。這說明沼氣發電內燃機在提高壓縮比后，應適當推遲點火，其原因是過早點火，會使得氣缸內混合氣在壓縮過程燃燒比例增大，壓縮負功增加，從而降低發動機的動力性。

盡管壓縮比提高，但點火提前角變小，在一定層度降低爆發壓力的增長幅度。從圖9（c）可知，3種壓縮比在最大功率點的最大爆發壓力分別增大了-1.2%、3.5%、7.7%，均在最大爆發壓力限值15 MPa以下。

點火提前角的推遲會導致發動機渦前排溫升高，但隨著采用更高壓縮比，熱工轉化效率提高，3種壓縮比的排溫反而會有所降低，分別降低了0.01%、0.97%、1.53%，均遠低于渦前排溫的限值1 070 K，不會對發動機排氣系統造成影響，如圖9（d）所示。

沼氣發電內燃機的性能優化設計以功率最大，油耗最低為目標，以爆發壓力小于15 MPa，排氣溫度小于1 073 K為約束條件，最終得到發動機性能優化后發動機參數如表6所示。車用天然氣發動機改制成沼氣發電內燃機后，通過優化進氣持續期、進氣門開啟相位、排氣門開啟相位和壓縮比，不僅提高了發電內燃機的動力性、經濟性和熱功轉化效率，且降低了排氣溫度，有助于提高排氣管的使用壽命。最終優化結果與原機的性能參數進行對比如表7所示，優化后發動機的功率和有效熱效率分別提高了3.01%和2.76%，沼氣消耗率和泵氣損失分別降低了2.8%和1.56%。

6 結論

1） 以車用天然氣發動機改制成沼氣發電內燃機為研究目標，對比分析變活塞行程和變燃燒室容積兩種改變壓縮比的方法，研究發現采用變燃燒室容積發法的功率最大，比氣耗最低，方案更優，也有利于減小結構改制成本。

2） 原車用發動機的最高轉速為2 100 r/min，為利用高轉速的進氣流動慣性，采用較大的進氣持續期。而沼氣發電內燃機的工作轉速為1 500 r/min，研究發現宜采用較小的進氣開啟持續期，可提高缸內的新鮮充量。

3） 采用DoE方法對12、13和14三種壓縮比的配氣相位進行優化。結果顯示，3種壓縮比的最佳進氣開啟角皆為326°，排氣開啟角皆為120°時，與原車用天然氣發動機的相位均有改變。

4） 通過對進氣持續期、進氣開啟角、排氣開啟角和點火提前角進行綜合優化，改制后的沼氣發電內燃機宜采用14壓縮比，較原機的功率增大3.01%，比氣耗降低2.8%，排氣溫度有所降低，最大爆發壓力仍滿足15 MPa的限值條件。

參 考 文 獻

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