火花点燃式生物质气发动机的试验研究

2017-06-29计维斌査丽平瞿俊鸣

汽车与新动力 2017年3期

关键词：生物质火花燃气

郭华，计维斌，査丽平，瞿俊鸣

火花点燃式生物质气发动机的试验研究

郭华1，2，计维斌1，2，査丽平3，瞿俊鸣1，2

(1. 上汽集团商用车技术中心，上海 200438；2. 上海内燃机研究所，上海 200438；3. 常州常发农业装备工程技术研究有限公司，江苏常州 213167)

为了实现国家节能减排的战略目标，开发和生产生物质气发动机对解决我国能源短缺和环境污染具有重大的经济效益和战略意义。将1台发电机组用柴油机改装为火花点燃式生物质气发动机，并对其进行了试验研究。

生物质气发动机试验研究

0 引言

生物质能作为1种清洁的可替代能源，具有良好的可再生性和CO2零排放等优点，正越来越受到人们的重视。将秸杆、树皮、木屑等生物质气化是将生物质能转换为高效高品位清洁能源的有效措施之一，可作为内燃机的代用燃料[1]。基于我国地域广阔、生物质资源丰富的特点，开发和生产中小功率生物质气发动机对于我们这个传统的农业国来说具有得天独厚的优势，不但可以解决一定程度的能源短缺，还可以减少废弃生物质对环境的污染及其焚烧产生的二次污染，把农业生产原本的“开环污染产业链”转变成1个几乎没有任何废弃物外排、自我循环的良性“闭环清洁产业链”。为此，本文利用1台现有4缸发电机组用柴油机，将其改装为火花点燃的生物质气发动机，研究其动力性、经济性和排放性。

1 试验装置

1.1 试验装置布置

图1 生物质气发动机系统布置图

为保证生物质气发动机运行安全可靠，本试验采用的生物质气发动机及其燃料供给系统布置见图1。

1.2 试验用燃气特性

气体燃料组分的变化改变了燃料的辛烷值和混合气的空燃比，根据燃料的特性合理地确定和调整气体燃料发动机各项工作参数(如空燃比、点火提前角等)，使燃气发动机的各项性能指标达到理想状态。在试验期间，应尽量保持燃气组分的一致性和稳定性。

本试验所用生物质气的原料为同一质地的玉米秸秆，从下吸式气化炉产生的气体在使用前进行了脱水、脱硫、除尘、除焦和降温处理，进入发动机前生物质气的杂质含量可以满足如下要求：(1)焦油<20 mg/m3；(2)总硫<200 mg/m3；(3)硫化氢<20 mg/m3；(4)水分<20 mg/m3；(5)杂质粒径<5 μm，杂质含量<10 mg/m3。

在试验前和试验过程中对生物质气组分进行了随机取样，检测各主要组分的体积百分比含量(表1)。5次取样的生物质气低热值在5.29～5.50 MJ/m3之间，热值波动率在5%以内。

表1 生物质气主要组分的体积百分比

2 试验发动机的改装

生物质气由于热值低，燃烧速度慢，滞燃期较长，极易造成发动机排气温度过高。因此，大缸径、长行程的中、低速发动机较适合采用这种气体燃料。本试验对1台发电机组用柴油机进行改装，原柴油机参数见表2。

表2 改装用柴油机参数

为了使原来采用压燃式工作的柴油机改为采用火花点燃式运行的燃气机，需要对原机进行必要的改装：

(1)取消原有的供油系统，重新配置进气系统，加装燃气-空气混合器、调压阀以及燃气稳压装置等。

(2)增加点火系统，点火系统中的点火能量、点火提前角应可根据气体的成分、热值、着火温度、火焰传播速度等因素进行调节。

(3)降低压缩比，由原来的16.5改为11。由于生物质气的燃烧速度较慢，极易使发动机产生回火和爆燃，从而使得机组工作粗暴且不稳定，应将压缩比相应改小。

(4)提高发动机的安全性和可靠性。针对生物质气发动机存在易燃易爆的安全隐患，从分析安全风险入手，参照GB/T 20651.2—2014[2]的要求，对生物质气发动机进行了安全设计和防护。同时还按照欧盟EN 12601[3]《内燃机驱动的交流发电机组——安全》的要求，对发动机超速，机油压力过低和冷却水温过高，以及发电机电压超标和地线接错等故障设置了自动紧急停机装置，以确保在正常停机控制装置失效时，不致引起重大安全事故。

3 试验研究

对改装后的生物质气发动机进行调试，研究其动力性、经济性和排放性，并与原柴油机进行对比。

3.1 动力性

通过试验显示，采用火花点燃式的生物质气发动机，可以平稳地从怠速进入全负荷工况。生物质气因其低热值较低，点火滞燃期较长，燃烧速度缓慢，相比高热值的汽油机，其点火提前角应适当增大。图2示出了为保持节气门全开时，发动机功率与点火提前角的关系。可以看到，随着点火提前角不断增大，发动机的功率不断增加，在上止点前22°CA时，发动机功率可以达到47 kW，约为原柴油机标定功率的80%。之后，随着点火提前角持续增大，活塞上行受阻，发动机效率降低，功率下降。在超过上止点前30°CA时，爆燃加剧，功率急剧下降。

图2 功率随点火提前角的变化

3.2 经济性

3.2.1 气耗率

以47 kW作为发动机标定功率，保持转速在1 500 r/min，改变节气门开度，测量不同负荷下的气耗率。图3表明，随着负荷不断增加，发动机的气耗率迅速降低，在75%～100%负荷时，气耗率变化趋于平稳，此时发动机效率较高，经济性最佳。由此可以看出，生物质气发动机对用于稳定负荷的场合尤为合适。

图3 气耗率随功率的变化

3.2.2 热耗率

发动机燃用不同燃料时，因其热值不同，应换算为热耗率才能对其热效率进行相互比较。热耗率越低，代表发动机的热效率越高。热耗率计算公式如下：

gh=Ge·Hu/1 000

式中gh为生物质气热耗率，kJ/(kW·h)；Ge为生物质气气耗率，g/(kW·h)；Hu为生物质气低热值，kJ/kg。

原柴油机标定点最低燃油消耗率为210 g/(kW·h)-1，柴油低热值大致为42.6 MJ/kg，计算得到原柴油机的热耗率为8 946 kJ/(kW·h)-1。而改装后的生物质气发动机，在标定功率时的热耗率为9 992 kJ/(kW·h)-1，完全可以满足JB/T12336—2015[4]的要求。与原柴油机相比，热耗率有所增加，热效率接近于原机的90%。

3.3 废气排放

发电机组用发动机在恒定转速下工作，按照GB/T 8190.4[5]的规定，采用5个工况循环试验测量排放，试验工况和加权系数见表3。CO、HC和NOx排放情况见图4～6。

表3 排放试验循环和加权系数

图4 CO排放随功率的变化

图5 HC排放随功率的变化

图6 NOx排放随功率的变化

对于火花点燃式生物质气发动机，排放的CO主要来源于混合气中部分尚未燃烧的CO和混合气中CH4及碳氢化合物(HC)的不完全燃烧，而HC主要来自于生物质气中未燃烧或不能完全燃烧的烃类、焦油高温裂解产物等，它受发动机燃烧室余隙容积和壁面激冷层的影响较大。从图4和图5可以看出，由于生物质气燃料与空气同相，并在混合器中与空气均匀混合，燃烧比较完全，排气温度较高，使得CO和HC排放比采用汽油或天然气等常规火花点燃式发动机的要低。随着发动机功率的增加，燃烧温度提高，CO和HC的排放随发动机功率的增加快速减小。CO排放在75%～100%负荷时，排放变化趋于平稳，HC排放在75%负荷时达到最低，之后随着负荷的增加，缸内温度和压力升高，焦油裂解引起HC略有上升。NOx的生成主要受高温、氧气含量及排气在缸内停留时间的影响，图6可以看出生物质气发动机随着负荷的增加缸内温度较高，导致NOx排放快速增加。

根据表3计算得出的CO加权排放值为2.16 g/(kW·h)-1，HC为0.11 g/(kW·h)-1，NOx为8.01 g/(kW·h)-1。目前尚无针对非道路点燃式发动机的强制性排放标准，如大致与车用燃气发动机排放限值相比，CO和HC均能满足要求，但NOx排放较高。