陳雷, 宋鵬，杜寶國，隆武強，曾文，馬洪安

(1.沈陽航空航天大學(xué) 遼寧省航空推進系統(tǒng)先進測試技術(shù)重點實驗室，遼寧 沈陽 110136； 2.大連理工大學(xué) 船舶制造國家工程研究中心，遼寧 大連 116024；3.大連民族學(xué)院 機電信息工程學(xué)院，遼寧 大連 116605)

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變組分生物質(zhì)燃氣發(fā)動機循環(huán)變動試驗研究

陳雷1,2, 宋鵬2,3，杜寶國2，隆武強2，曾文1，馬洪安1

(1.沈陽航空航天大學(xué) 遼寧省航空推進系統(tǒng)先進測試技術(shù)重點實驗室，遼寧 沈陽 110136； 2.大連理工大學(xué) 船舶制造國家工程研究中心，遼寧 大連 116024；3.大連民族學(xué)院 機電信息工程學(xué)院，遼寧 大連 116605)

摘要：針對生物質(zhì)燃氣發(fā)動機運轉(zhuǎn)穩(wěn)定性差、循環(huán)變動大的問題，采用瓶裝氣體模擬實際生物質(zhì)燃氣的方法，在一臺火花點火發(fā)動機上進行了變組分生物質(zhì)燃氣(CH4-H2-CO-CO2)發(fā)動機的循環(huán)變動試驗研究，分析了各可燃組分及CO2含量變化對發(fā)動機工作穩(wěn)定性的影響，給出了燃料組分變化對發(fā)動機循環(huán)變動的影響規(guī)律。結(jié)果表明，燃料組分變化對燃燒穩(wěn)定性的影響情況有較大差異：在當(dāng)量比固定且燃料組分中H2含量較少時，CO2含量對燃燒穩(wěn)定性起支配作用，CO2含量的增加導(dǎo)致循環(huán)變動增加，在個別條件下導(dǎo)致部分燃燒的發(fā)生；隨H2含量增加，CO2含量對燃燒的影響作用逐漸減弱，當(dāng)H2含量達到50%時CO2含量對燃燒的影響作用已不明顯；H2含量固定時，CH4及CO含量的變化對混合燃料的燃燒并無明顯影響。

關(guān)鍵詞：生物質(zhì)燃氣；組分變化；火花點火發(fā)動機；循環(huán)變動

網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1390.u.20160127.1102.004.html

作為內(nèi)燃機替代能源之一，生物質(zhì)燃氣在近年來得到了內(nèi)燃機研究學(xué)者的廣泛重視[1]。生物質(zhì)燃氣是采用種植業(yè)、林業(yè)、畜牧業(yè)等產(chǎn)品的廢棄物作為原材料，在一定溫度條件下通過氣化、裂解等技術(shù)制取而成的[2]。其原材料來源廣泛，但分布較為分散，而且在其燃料組分中含有灰分及大量不可燃氣態(tài)成分。這一特點造成生物質(zhì)燃氣熱值較低，燃燒困難，因此并不適合用作車、船等運載工具發(fā)動機的能源。

我國生物質(zhì)原材料主要分布于農(nóng)村地區(qū)。因此，在農(nóng)村地區(qū)使用生物質(zhì)燃氣便于燃料的就地取材及制取，具有較為廣泛的應(yīng)用前景。在日本、美國等國家，已經(jīng)開展了生物質(zhì)燃氣在小型發(fā)電設(shè)備上的應(yīng)用研究工作[3-5]。

生物質(zhì)燃氣中存在CO2、N2等不可燃氣體成分，而且隨著生物質(zhì)原材料產(chǎn)地及生物質(zhì)燃氣制取條件的不同各組分的相對百分含量相差很大[2,6]。生物質(zhì)燃氣中的不可燃氣態(tài)組分含量較高[7-9]，這造成生物質(zhì)燃氣熱值低、燃燒速度慢，容易導(dǎo)致部分燃燒甚至失火的發(fā)生，最終造成生物質(zhì)燃氣發(fā)動機循環(huán)變動大、工作穩(wěn)定性差等問題。因此，研究組分變化對生物質(zhì)發(fā)動機工作穩(wěn)定性的影響，對生物質(zhì)燃氣發(fā)動機應(yīng)用推廣具有重要意義。

本文對一臺廣泛應(yīng)用于小型發(fā)電設(shè)備的HONDA GX340火花點火發(fā)動機進行了改造，并采用與低溫氣化生物質(zhì)燃氣組分相同的混合氣體燃料，進行了生物質(zhì)燃氣組分變化對發(fā)動機工作穩(wěn)定性影響的試驗研究。

1試驗裝置及方案

試驗用發(fā)動機為單缸、水冷、壓縮比為8.0的HONDA GX340火花點火發(fā)動機，以自主開發(fā)的燃氣發(fā)動機電控系統(tǒng)為基礎(chǔ)，改裝為電控生物質(zhì)燃氣發(fā)動機，并通過電控系統(tǒng)實現(xiàn)對供氣時刻、供氣脈寬及點火時刻等參數(shù)的控制。

在進氣道某處設(shè)置進氣混合腔，CH4、CO、H2及CO2由安裝于混合腔上的KEIHIN公司產(chǎn)氣體燃料專用電磁閥噴入混合腔，各氣體組分在混合腔中能夠充分混合。試驗中，氣缸壓力采用KISTLER公司的6125A型壓力傳感器測量，測得的數(shù)據(jù)由該公司生產(chǎn)的5011B型電荷放大器放大及轉(zhuǎn)換。在進氣門上游300 mm處加裝了金屬制消焰器，用來抑制在較高H2濃度時可能導(dǎo)致的回火。

試驗所選取的HONDA GX340發(fā)動機保有量大，但壓縮比較低。為了在實際發(fā)電機平臺上盡可能少的進行硬件改裝，在本研究中并沒有提高發(fā)動機的壓縮比，而是采用調(diào)整燃料組分的方式來實現(xiàn)優(yōu)化發(fā)動機性能的目的。為此，需要對本文用到的燃料相對濃度進行定義。

本文中涉及到的燃料組分含量共有兩個參數(shù)，分別是燃料混合比(CH4含量、H2含量、CO含量)及稀釋率(CO2含量)。其中，燃料混合比為某一可燃組分在CH4-CO-H2混合物中的摩爾分數(shù)，CO2含量為CO2在CH4-CO-H2-CO2混合物中的摩爾分數(shù)。其定義式如下：

(1)

(2)

(3)

w(CO2)=

(4)

式中：w代表含量，m代表摩爾數(shù)。

試驗中，采用瓶裝壓縮氣體模擬實際生物質(zhì)燃氣，通過改變?nèi)剂匣旌媳燃癈O2含量來改善發(fā)動機的工作穩(wěn)定性。試驗中保持發(fā)動機轉(zhuǎn)速1 500 r/min、最佳點火提前角(MBT)以及節(jié)氣門全開(WOT)條件不變。試驗系統(tǒng)圖如圖1所示。

實際生物質(zhì)燃氣中的CO2、N2等不可燃組分的體積含量變化較大。為了盡可能使試驗條件與實際生物質(zhì)燃氣組分一致，研究中采用10%、30%、50%、70%的CO2濃度來模擬實際生物質(zhì)燃氣中的不可燃組分。試驗的當(dāng)量比條件保持Φ=0.6恒定。

2試驗結(jié)果與分析

2.1組分變化對缸內(nèi)壓力的影響

圖2所示為不同組分條件下的缸壓數(shù)據(jù)。

(1)護理前、后,以Zung氏焦慮自評量表(SAS)、抑郁自評量表(SDS)評價情緒狀態(tài),兩量表均換算為標(biāo)準(zhǔn)分值(總粗分乘以1.25,取整數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)分),SAS>50分表明有焦慮情緒,SDS>53分表明有抑郁情緒,分數(shù)越高則不良情緒越為嚴(yán)重[1]。(2)出院時,分發(fā)我科室自擬患者對護理滿意評分量表,包括服務(wù)態(tài)度、病房環(huán)境、專業(yè)技能、健康教育以及溝通交流5項,每項4道題,每題1-5分,滿分100分,分數(shù)越高則滿意度越高。

(a)CH4含量50%、H2含量33%、CO含量17%

(b)CO2及CO含量固定時其他組分變化對缸壓的影響

(c)CO2及H2含量固定時其他組分變化對缸壓的影響

(d)CO2及CH4含量固定時其他組分變化對缸壓的影響圖2　不同組分條件下缸壓曲線Fig.2　In-cylinder Pressure under different component conditions

圖2(a)所示為CH4含量50%、H2含量33%、CO含量17%、CO2含量分別為10% ～ 70%的缸壓曲線，圖2(b)、(c)、(d)分別為CO2含量為30%條件下保持某一可燃組分含量不變而改變另外兩種組分含量的缸壓曲線。圖3所示為燃料組分變化對熱量輸入的影響。

由圖2(a)及圖3可知，隨著CO2含量的增加，熱量輸入減少，因此最高缸內(nèi)壓力隨之降低。本實驗中所有工況點均在MBT條件下進行，為了達到最大的扭矩，隨著CO2含量的增加MBT逐漸提前，因此最高缸壓對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角逐漸向上止點移動。如圖2(b)～(d)所示，當(dāng)H2含量上升、CH4含量或CO含量下降時，最高缸壓有所下降，并且最高缸壓點對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角遠離上止點。這是由于與CH4及CO相比，H2較低的體積低熱值與較快的燃燒速度導(dǎo)致的。而當(dāng)H2含量保持不變、CH4含量及CO含量此消彼長時，最高缸壓的大小及其對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角并沒有明顯的變化，這印證了CH4與CO相當(dāng)?shù)捏w積低熱值及燃燒速度。

圖3　燃料組分對熱量輸入的影響Fig.3　Effect of fuel components on input heat

2.2組分變化對燃燒持續(xù)期的影響

圖4～5所示為快速燃燒期和火焰發(fā)展期在不同氣體組分、CO2含量條件下的變化情況。本文定義累積放熱率0～10%對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角為火焰發(fā)展期，累積放熱率10%～90%對應(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角為快速燃燒期。在所有燃料組分條件下，火焰發(fā)展期及快速燃燒期均隨CO2含量的增加而延長，但變化幅度不同。如圖4所示，分別為保持CO含量、H2含量及CH4含量不變，而改變另外兩種燃料體積分數(shù)的情況。在CO2含量保持不變的前提下，當(dāng)H2含量一定時快速燃燒期隨CO含量及CH4含量的變化并不明顯；而當(dāng)CH4含量或CO含量一定時，快速燃燒期隨H2含量的增加而明顯縮短。三種可燃組分相比，H2的燃燒速度遠高于CH4及CO，CH4及CO的燃燒差異較小，因此快速燃燒期隨H2含量的增加而有較明顯的縮短，而CH4含量及CO含量的變化對快速燃燒期沒有明顯影響?？焖偃紵陔SCO2含量增加略微延長，但延長幅度不大。當(dāng)燃燒進入快速燃燒階段時，缸內(nèi)湍流對火焰?zhèn)鞑ニ俣燃叭紵M程起主要作用[11]。因此如圖4所示,CO2含量的增加對快速燃燒期的影響并不明顯。

燃料組分變化對火焰發(fā)展期的影響則十分顯著。如圖5所示，H2含量的增加導(dǎo)致了在相同CO2含量條件下火焰發(fā)展期的縮短；隨CO2含量增加，各燃料條件對應(yīng)的火焰發(fā)展期均顯著上升，而且當(dāng)CO2含量從50%增加到70%時火焰發(fā)展期均急速增長。

圖4　不同組分條件下快速燃燒期變化情況Fig.4　Main combustion duration under different component conditions

火焰發(fā)展期及快速燃燒期的變化趨勢對比表明，本試驗所涉及的生物質(zhì)燃氣組分中的H2含量及CO2含量對燃燒持續(xù)期的影響作用顯著。CO2含量直接影響著火過程，使燃燒初期的火焰核心形成延遲，但一旦形成穩(wěn)定火焰核心之后，組分對燃燒過程的影響作用不再占據(jù)主要地位。

2.3組分變化對燃燒穩(wěn)定性的影響

由于能夠體現(xiàn)內(nèi)燃機燃燒過程循環(huán)變動的整體反應(yīng)，COVIMEP被眾多學(xué)者作為評價燃燒循環(huán)變動的主要參數(shù)[10-12]。在本文中也使用COVIMEP作為生物質(zhì)燃氣發(fā)動機循環(huán)變動特征的評價指標(biāo)。其中，COVIMEP定義為平均有效壓力(indicated mean effective pressure, IMEP)的循環(huán)變動系數(shù):

(5)

圖6所示為CO2含量及燃料組分變化對COVIMEP的影響。

圖5　不同組分條件下火焰發(fā)展期變化情況Fig.5　Initial combustion duration under different component conditions

圖6　CO2含量及燃料組分變化對COVIMEP的影響Fig.6　Influence of CO2 content and fuel components on COVIMEP

如6圖所示，當(dāng)CO2含量小于50%時，在各組分條件下COVIMEP均處于1%～3%范圍內(nèi)，此時發(fā)動機運轉(zhuǎn)較為穩(wěn)定。當(dāng)CO2含量為70%時，所有燃料條件的COVIMEP均有明顯上升，當(dāng)CO2含量為70%時在一些工況(CH4含量66%、H2含量17%、CO含量17%；CH4含量50%、H2含量17%、CO含量33%；CH4含量33%、H2含量17%、CO含量50%)甚至超過了10%，而且H2含量最小(H2含量為17%)時的COVIMEP明顯高于其他工況。對比圖4可知，CO2含量過高導(dǎo)致早期火焰形成發(fā)展緩慢、火焰發(fā)展期長、燃燒速率較低，造成部分燃燒甚至失火，因此循環(huán)變動較強。CH4與CO的燃燒速度差異并不明顯。因此如圖6的中圖所示，當(dāng)H2含量一定、CH4含量與CO含量此消彼長時，COVIMEP并不隨著某一組分濃度的變化而單調(diào)變化。

圖7為各不同燃料組分條件下135個循環(huán)的IMEP散點分布圖。從圖中可以看出，當(dāng)CO2含量較小時，所有組分條件下的IMEP散點均在某一固定值附近的很小范圍內(nèi)波動，說明此時燃燒較穩(wěn)定，因此IMEP的波動范圍很小。隨著CO2含量的升高，所有燃料條件下IMEP散點分布區(qū)間均有所擴大，而H2含量對IMEP散點分布情況有明顯的影響。

(a)CO含量17%保持不變

(b)H2含量17%保持不變

(c)CH4含量33%保持不變圖7　不同燃料組分條件下的IMEP散點圖Fig.7　IMEP scatter diagram under different fuel components

在圖7(a)和(c)中，隨著H2含量的增加，IMEP散點分布區(qū)間明顯減小。當(dāng)H2含量達到50%時，IMEP散點分布已十分穩(wěn)定，此時CO2含量對散點分布范圍的影響已不顯著。在圖7(b)中，H2含量保持在17%的較低水平，CH4含量及CO含量此消彼長，此時IMEP散點分布范圍與燃料混合比的影響不大，CO2含量對其影響其主要作用。在不同燃料條件下IMEP散點的分布范圍差異是由于CH4、H2及CO的燃燒速度差異造成的。H2的燃燒速度遠高于CH4及CO，H2含量較高時對應(yīng)的初燃期火焰?zhèn)鞑ポ^快，燃燒穩(wěn)定，循環(huán)變動小，因此圖7(a)及(c)的IMEP散點分布趨于集中。而CH4與CO的燃燒速度差異不大，這導(dǎo)致圖7(b)中IMEP散點分布范圍與燃料混合比的相關(guān)性不明顯，主要受CO2含量的影響。

3結(jié)論

在一臺火花點火發(fā)動機上進行了生物質(zhì)燃氣發(fā)動機循環(huán)變動試驗研究，結(jié)論如下：

1)燃料組分對燃燒穩(wěn)定性的影響作用顯著，當(dāng)燃料組分中H2含量較少時，隨著CO2含量的增加燃燒趨于不穩(wěn)定，在個別條件下導(dǎo)致部分燃燒；

2)隨著H2含量的增加，CO2含量對燃燒的影響作用逐漸減弱，當(dāng)H2含量達到50%時CO2含量對燃燒的影響作用已不明顯；

3)當(dāng)量比固定時，在保持H2含量不變的條件下CH4及CO含量的變化對混合燃料的燃燒并沒有明顯影響。

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收稿日期：2014-12-09.

基金項目：國家自然科學(xué)基金項目(51409158)；中國博士后基金項目(2014M551078).

作者簡介：陳雷(1981-)，男，講師，博士; 宋鵬(1978-)，女，高級工程師. 通信作者：宋鵬, E-mail: spony@dlnu.edu.cn.

doi:10.11990/jheu.201412028

中圖分類號：TK43

文獻標(biāo)志碼：A

文章編號：1006-7043(2016)04-0562-06

Operational stability testing of biogas engine with varied fuel component

CHEN Lei1,2，SONG Peng2,3，DU Baoguo2，LONG Wuqiang2，ZENG Wen1， MA Hongan1

(1. Liaoning Key Laboratory of Advanced Measurement and Test Technology for Aviation Propulsion Systems, Shenyang Aerospace University, Shenyang 110136, China; 2. National Engineering Research Center for Shipbuilding, Dalian University of Technology, Dalian 116024, China; 3. College of Electromechanical & Information Engineering, Dalian Nationalities University, Dalian 116605, China)

Abstract：In view of the poor stability and large cyclic variations in biogas engines, experimental studies on variable component biomass (CH4-H2-CO-CO2) engine operation stability were carried out on a 337 cc displacement spark ignition engine by employing bottled gases which includes CH4, H2 and CO2 to simulate actual biogas. The influences of fuel and CO2 components on combustion stability were investigated, and an influence law of cyclic changes in the engine with changes in the fuel component was developed. The results show that engine operation stability is influenced strongly by fuel component. Under low H2 content conditions, CO2 content has a dominant effect on combustion stability. An increase in CO2 content could induce an increase in cyclic variation and lead to partial burning under special circumstances. However, under high H2 content conditions, the effect of CO2 content on combustion weakens gradually, and the effect is not obvious when the H2 content reaches 50%. Under constant H2 content conditions, variations in CH4 and CO contents have no obvious influence on biogas combustion.

Keywords：biogas; varied fuel component; spark ignition engine; operational stability

網(wǎng)絡(luò)出版日期：2016-01-27.