活塞式内燃机燃用沼气的研究

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1、活塞式内燃机燃用沼气的研究第24卷第5期2003年1O月太阳能学报ACTAENERGIAESOLARISSINICAV0I．24．No．5Oct．，2003文章■号：0254—0096(2003)05—0688-05活塞式内燃机燃用沼气的研究熊树生，楚书华，杨振中(浙江大学机械与能源工程学院动力机械及车辆工程研究所，杭州310027)摘要：简要介绍了沼气的产生、成分、物理化学性能以及活塞式内燃机燃用沼气可能发生的燃烧速鏖慢、后燃严重、排气温度高与热负荷大等问题，提出了掺烧和快速全烧两大措施；并相应研制出沼气一柴油双燃料发动机和火花点

2、火全沼气发动机发电机组来适应这两种燃烧方式，取得了较好效果。最后提出将沼气提纯、加压，使其性能接近压缩天然气来作为汽车燃料的方案。关t词：柴油一沼气发动机；全沼气发动机；快速燃烧中圈分类号：TK6文献标识码：A0沼气的物化性质及沼气应用于发动机的主要问题沼气是由有机物质在厌氧条件下发酵制取出来的。因此多种有机物尤其是废弃的有机物如城市生活垃圾和污水、工厂有机废料和下料、农村动植物废弃物和人畜排泄物等都是制取沼气的最好原料。利用上述物质制取沼气具有多重效益：1)实现了垃圾、废物的利用，减少了环境污染，是城市垃圾处理的最好途径；2)利用

3、废弃物生产出了宝贵的能源；3)避免了有机垃圾的露天存放或焚烧，减少了排向大气的甲烷(甲烷的温室效应是二氧化碳的27倍)，缓解了大气温室效应；4)生产出优质的肥料。生产的沼气可用于气源附近的居民生活用气，由于输气管网铺设成本较高，通常是在气源附近建立以沼气发动机发电机组为核心的发电站，燃烧沼气产生电能，进行发电，可缓解当地电力紧张，还可热电联产，提高整个系统的热效率。就用于发电而言，与采用其它动力装置(如燃气轮机、蒸汽轮机)相、比，用气体发动机燃烧气体燃料，还具有能量利用率高的优点，且资金投入少，操作维护简便，技术性和经济性上的优势很

4、明显。图1是沼气发电机组系统布置图。沼气的主要成分是甲烷和二氧化碳，其中甲烷含量一般为：55％～75％，二氧化碳含量：24％～44％，此外，还有氮气和少量的硫化氢及一氧化碳收一日期：2002．05。11等其它气体。沼气中甲烷燃烧速度较慢(37．3cm／S)，再加上大量存在的二氧化碳对燃烧有强烈的抑制作用，造成沼气的燃烧速度很慢(约为23cm／s)。这样使得活塞式内燃机燃用沼气时，急燃期燃烧的沼气量少，后燃期燃烧的量增多，整个燃烧期加长，甚至有部分燃料在排气过程中燃烧。沼气燃烧的另一个特点是着火温度高，因此在沼气发动机中产生末端气体自

5、燃的情况少，沼气具有很好的抗爆性。综上所述可知，沼气燃烧速度慢，是造成沼气发动机燃烧持续期长，燃烧效率低，后燃严重，可靠性与经济性差的根本原因。为了解决沼气发动机燃烧速度慢、后燃严重、排气温度高与热负荷大等问题时，可采取柴油引燃和采用快速燃烧系统等措施。图1沼气发电机组系统布置图Fig．1Systemofbiogaspowergenerator本文采取掺烧和全烧两种方式来直接利用沼气作为活塞式内燃机燃料，根据沼气不同的燃烧方式采用不同的发动机形式，即：沼气一柴油双燃料发动机和火花点火全沼气发动机。另外提出将沼气提纯、加压、将发动机改

6、造成高性能汽油／沼气可相5期熊树生等：活塞式内燃机燃用沼气的研究689互切换的两用燃料发动机，将沼气提纯后作为汽车燃料的新方案。下面分别加以介绍。1沼气一柴油双燃料发动机的原理与工程应用沼气一柴油双燃料发动机是在柴油机的基础上，改装进气混合系统和双燃料调节系统。其工作原理是将沼气与空气在混合器中形成可燃混合气，吸入气缸后，当活塞压缩接近上止点时，向燃烧室内喷入少量引燃柴油，柴油燃烧后点燃缸内混合气进行燃烧做功。双燃料发动机在正常运行情况下，其引燃柴油量在8～20％(单位时间内引燃油耗量与改装前该发动机在额定工况下柴油耗量的比值)之间

7、。双燃料发动机的特点是在燃气不足甚至没有的情况下可增加进行燃烧的柴油量，甚至完全烧柴油，以保证发动机运行正常。因此，使用起来比较灵活，适用于产气量较少的场合(如农村地区的小沼气工程中)。这种方案的最大优点就是可以利用少量的引燃柴油压燃后点燃沼气。因为哪怕只有5％左右的柴油，其着火能量就会大大高于火花点火的能量，就有可能使沼气的着火滞后期乃至整个燃烧期缩短，从而解决沼气机的严重后燃、高排温与热负荷大等问题。我们在福州承接的两个沼气发电工程就是采用双燃料发动机方案，该双燃料发动机在6135柴油机上改装而来，其结构如图2。在原机进气管上加

8、装混合器(如图3)，从两个进气管路分别流入沼气和空气，在混合室内形成混合气，通过混合气阀进入发动机气缸。混合器中的沼气阀用以调节空燃比，混合气阀用以调速、改变功率，与调速器相连，空气阀则在起动发动机时使用。另外在原柴油机高压油泵上加装