摘要：為降低開發(fā)成本和縮短開發(fā)周期，針對車用天然氣發(fā)動機改制成中小功率的沼氣發(fā)電內(nèi)燃機進行可行性研究。首先建立發(fā)動機的一維性能仿真模型，并利用車用發(fā)動機的臺架試驗數(shù)據(jù)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(yōu)化壓縮比大小、進氣開啟持續(xù)期、進排氣開啟相位和點火提前角等參數(shù)。結(jié)果表明：采用變?nèi)紵胰莘e改變壓縮比的方法整機性能更優(yōu)，改制后的沼氣發(fā)電內(nèi)燃機宜采用14壓縮比，沼氣發(fā)電內(nèi)燃機宜采用較小的進氣開啟持續(xù)期；優(yōu)化設(shè)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(guān)鍵詞：沼氣發(fā)電內(nèi)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(zhì)（農(nóng)林廢棄物、生活垃圾及畜禽糞便等）經(jīng)過發(fā)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(chǎn)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(huán)境惡化的雙重壓力，大規(guī)模開發(fā)利用生物質(zhì)能源，有助于推動我國能源結(jié)構(gòu)調(diào)整和低碳經(jīng)濟發(fā)展，保障美麗鄉(xiāng)村建設(shè)等國家重大戰(zhàn)略實施。

將沼氣用于內(nèi)燃機發(fā)電是沼氣主要用途之一。由于養(yǎng)殖場規(guī)模大小不一，而且當(dāng)前我國以中小規(guī)模的養(yǎng)殖場居多，適配的發(fā)電機組難以統(tǒng)一。目前市場上沼氣發(fā)電機組產(chǎn)品單一，尤其缺少中小功率沼氣發(fā)電機組。采用車用氣體機、柴油機或汽油機改制成沼氣發(fā)電內(nèi)燃機是一種可行的低成本開發(fā)路徑。

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

針對沼氣內(nèi)燃機性能優(yōu)化問題，國內(nèi)外開展了一些研究。如甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)開展了沼氣/柴油雙燃料農(nóng)用發(fā)動機的壓縮比對動力性的影響研究[2]；北京交通大學(xué)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(xué)盤朝奉[4]開展了以沼氣為燃料的車用發(fā)動機改裝及其性能參數(shù)優(yōu)化試驗研究，結(jié)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(fā)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(tǒng)，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(shù)對稀薄燃燒車用天然氣發(fā)動機動力性和排放特性的變化規(guī)律。官維等[7]通過發(fā)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(cè)進氣）與3、4缸位置進氣（中間進氣）對當(dāng)量燃燒天然氣發(fā)動機各缸燃燒一致性的影響規(guī)律。張騰等[8]研究了進氣濕度對天然氣發(fā)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(shù)和廢氣再循環(huán)對發(fā)動機燃燒過程及排放的影響，結(jié)果表明進氣加濕降低NOX排放潛力較大（約55%），且對燃料經(jīng)濟性惡化程度較?。s1.6%）。

現(xiàn)有研究主要針對車用發(fā)動機以沼氣作為替代燃料開展了燃料成分、控制參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)變化對性能的影響。鮮有針對發(fā)電內(nèi)燃機機組的使用工況，開展對沼氣發(fā)電內(nèi)燃機的結(jié)構(gòu)參數(shù)和控制參數(shù)綜合研究。為全面提升中小功率沼氣發(fā)電機的性能，本文針對一款排量為10 L的中小型沼氣發(fā)電機組（利用車用天然氣發(fā)動機改制成），開展關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)（壓縮比、進氣凸輪型線、排氣凸輪型線）和控制參數(shù)（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(yīng)面分析[11]，分析確定最佳的各種設(shè)計參數(shù)和控制參數(shù)，并總結(jié)歸納相關(guān)優(yōu)化設(shè)計分析流程。

1 沼氣發(fā)電內(nèi)燃機性能提升優(yōu)化流程

基于沼氣低碳清潔環(huán)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(zhuǎn)化效率。整機設(shè)計優(yōu)化需兼顧改制成本與性能提升程度，因此考慮優(yōu)化的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)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(shù)主要有點火正是和空燃比等。盡管發(fā)電內(nèi)燃機的工況簡單，但是影響內(nèi)燃機性能的參數(shù)眾多，且相互關(guān)聯(lián)影響。因此，本文針對沼氣發(fā)電內(nèi)燃機的開發(fā)特點，總結(jié)形成一套優(yōu)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(fā)動機主要結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。針對沼氣發(fā)電機組的工作轉(zhuǎn)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(tǒng)、排氣系統(tǒng)、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(nèi)燃機一般選擇韋伯燃燒模型，該燃燒模型主要分為預(yù)燃、主燃、末燃三個階段，通過調(diào)整不同階段的燃燒比例、形狀參數(shù)、燃燒持續(xù)期來確定沼氣燃燒過程中的放熱模式?？紤]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(nèi)燃機缸內(nèi)燃燒之前，采用脫碳技術(shù)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(yōu)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(fā)電機組額定工況點的臺架試驗數(shù)據(jù)標定了仿真模型的準確性和可行性，主要校準參數(shù)有功率、空氣流量、比氣耗、排溫、熱效率和缸內(nèi)壓力。表2為發(fā)電機組額定功率工況點的仿真與試驗結(jié)果的對比，圖3為缸內(nèi)壓力標定結(jié)果。各項參數(shù)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(fā)電內(nèi)燃機的工作特性，為仿真優(yōu)化提供了可靠的基礎(chǔ)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(fā)動機的經(jīng)濟性，提高發(fā)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?nèi)紵胰莘e（定行程）。圖4為發(fā)動機氣缸結(jié)構(gòu)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?cè)莘e；

[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(jié)構(gòu)參數(shù)的數(shù)值?？芍葔嚎s比下，定行程的燃燒室容積更小。

不同壓縮比設(shè)計方案的試驗結(jié)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(jīng)濟性得到改善；其中在活塞定行程（變?nèi)紵胰莘e）下，壓縮比為14的功率最大，比氣耗最低，方案最優(yōu)。事實上該定行程方案也有利于減小結(jié)構(gòu)改動成本。

4 進氣、排氣參數(shù)對提升性能的影響

4.1 進氣持續(xù)期對提升性能的影響

沼氣發(fā)電機內(nèi)燃機的工作工況屬于線工況，有別于車用發(fā)動機的面工況，因此需要優(yōu)化進排氣凸輪開啟持續(xù)期。根據(jù)單因素法原理[14]，仿真研究了3種壓縮比下不同進氣持續(xù)期（角度倍增系數(shù)）對沼氣發(fā)電內(nèi)燃機的性能影響。如圖5所示，進氣持續(xù)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(shù)來改變氣門開啟持續(xù)期，進而提高進入缸內(nèi)的新鮮空氣質(zhì)量。

圖6（a）為三種不同壓縮比下的功率隨進氣持續(xù)期的變化規(guī)律，可知在同一角度倍增系數(shù)下，壓縮比越大，功率越大；適當(dāng)縮小角度倍增系數(shù)，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(fā)動機，最高轉(zhuǎn)速達2 100 r/min，為了利用高轉(zhuǎn)速的進氣流動慣性，故采用較大的進氣遲閉角。

相應(yīng)地，從圖6（b）可知，增加壓縮比后，缸內(nèi)進氣量稍微降低，這是氣缸總?cè)莘e變小所致。從圖6（c）可知，缸內(nèi)進氣量愈大，更有助于降低沼氣比氣耗。但缸內(nèi)最大爆發(fā)壓力主要受壓縮比的影響最大，壓縮比越大，爆發(fā)壓力越高，如圖6（d）所示。當(dāng)角度倍增系數(shù)為0.9時，最大爆發(fā)壓力為14.3 MPa，低于原機設(shè)計的最大爆發(fā)壓力15 MPa。因此，沼氣發(fā)電內(nèi)燃機將壓縮比增加至14時，缸內(nèi)最高爆發(fā)壓力仍滿足設(shè)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(shù)對應(yīng)的進氣門瞬時質(zhì)量流量，隨著進氣持續(xù)期增大，在活塞向上壓縮時氣缸內(nèi)的氣體重新又壓回進氣管，導(dǎo)致最終進氣質(zhì)量減少。因此，選取最優(yōu)進氣持續(xù)期角度倍增系數(shù)為0.9。

4.2 氣門相位對提升性能的影響

在上文進氣持續(xù)期優(yōu)化的基礎(chǔ)上，保持原機氣門升程曲線和進氣持續(xù)期不變，對沼氣發(fā)電內(nèi)燃機進行進、排氣門相位優(yōu)化。根據(jù)空氣壓力波動理論，內(nèi)燃機同一轉(zhuǎn)速下進排氣管內(nèi)的動態(tài)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(yōu)化分析，獲得功率隨進氣門和排氣門開啟正時的響應(yīng)面。進氣門開啟角的優(yōu)化范圍為321°～346°，排氣門開啟角優(yōu)化范圍為110°～135°，壓縮比的范圍為12～14，優(yōu)化變量如表5所示。

圖7、圖8分別為3種壓縮比對應(yīng)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(yōu)，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(jié)果表明，車用天然氣發(fā)動機改制成沼氣發(fā)電內(nèi)燃機，進氣門開啟角應(yīng)適當(dāng)提前10°，有利于提高缸內(nèi)新鮮充量；排氣門開啟角也應(yīng)適當(dāng)提前5°，有利于充分排氣，降低缸內(nèi)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(fā)動機燃燒損失的重要參數(shù)，不同工況都對應(yīng)著不同的最佳點火時刻。由于受沼氣產(chǎn)氣率和用電負荷的波動，沼氣發(fā)電內(nèi)燃機常在恒轉(zhuǎn)速（1 500 r/min）下不同負荷下工作。在前文優(yōu)化氣門開啟持續(xù)期和相位的基礎(chǔ)上，下文將針對最大負荷工況下沼氣發(fā)電內(nèi)燃機點火提前角進行優(yōu)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(yīng)的曲軸轉(zhuǎn)角），而且CA50更能反映缸內(nèi)熱工轉(zhuǎn)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(guī)律，原機的CA50為10.5，而壓縮比12、13和14的最大功率點對應(yīng)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(jié)果表明，壓縮比越大，最大功率點對應(yīng)的CA50越大。

圖9（b）是比氣耗隨CA50的變化規(guī)律，3種壓縮比設(shè)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(fā)電內(nèi)燃機在提高壓縮比后，應(yīng)適當(dāng)推遲點火，其原因是過早點火，會使得氣缸內(nèi)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(fā)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(fā)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(fā)壓力分別增大了-1.2%、3.5%、7.7%，均在最大爆發(fā)壓力限值15 MPa以下。

點火提前角的推遲會導(dǎo)致發(fā)動機渦前排溫升高，但隨著采用更高壓縮比，熱工轉(zhuǎn)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(fā)動機排氣系統(tǒng)造成影響，如圖9（d）所示。

沼氣發(fā)電內(nèi)燃機的性能優(yōu)化設(shè)計以功率最大，油耗最低為目標，以爆發(fā)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(fā)動機性能優(yōu)化后發(fā)動機參數(shù)如表6所示。車用天然氣發(fā)動機改制成沼氣發(fā)電內(nèi)燃機后，通過優(yōu)化進氣持續(xù)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(fā)電內(nèi)燃機的動力性、經(jīng)濟性和熱功轉(zhuǎn)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(yōu)化結(jié)果與原機的性能參數(shù)進行對比如表7所示，優(yōu)化后發(fā)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(jié)論

1） 以車用天然氣發(fā)動機改制成沼氣發(fā)電內(nèi)燃機為研究目標，對比分析變活塞行程和變?nèi)紵胰莘e兩種改變壓縮比的方法，研究發(fā)現(xiàn)采用變?nèi)紵胰莘e發(fā)法的功率最大，比氣耗最低，方案更優(yōu)，也有利于減小結(jié)構(gòu)改制成本。

2） 原車用發(fā)動機的最高轉(zhuǎn)速為2 100 r/min，為利用高轉(zhuǎn)速的進氣流動慣性，采用較大的進氣持續(xù)期。而沼氣發(fā)電內(nèi)燃機的工作轉(zhuǎn)速為1 500 r/min，研究發(fā)現(xiàn)宜采用較小的進氣開啟持續(xù)期，可提高缸內(nèi)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(yōu)化。結(jié)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(fā)動機的相位均有改變。

4） 通過對進氣持續(xù)期、進氣開啟角、排氣開啟角和點火提前角進行綜合優(yōu)化，改制后的沼氣發(fā)電內(nèi)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(fā)壓力仍滿足15 MPa的限值條件。

參 考 文 獻

[ 1 ] 田宜水. 中國規(guī)?；B(yǎng)殖場畜禽糞便資源沼氣生產(chǎn)潛力評價[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報， 2012， 28（8）： 230-234.

[ 2 ] 李麗麗， 趙武云， 戴飛. 高原地區(qū)小型沼氣/柴油雙燃料發(fā)動機的設(shè)計[J]. 農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程， 2015， 53（4）： 1-5.

[ 3 ] 胡準慶， 張欣. 模擬沼氣發(fā)動機摻氫燃燒的試驗研究[J]. 內(nèi)燃機學(xué)報， 2010， 28（1）： 47-52.

Hu Zhunqing， Zhang Xin. Experimental study on engine combustion fueled with simulated biogas blends hydrogen [J]. Transactions of CSICE， 2010， 28（1）： 47-52.

[ 4 ] 盤朝奉. 以沼氣為燃料的發(fā)動機改裝及其性能參數(shù)優(yōu)化試驗研究[D]. 南寧： 廣西大學(xué)， 2005.

[ 5 ] Bora B J， Saha U K. Optimization of injection timing and compression ratio of a raw biogas powered dual fuel diesel engine [J]. Applied Thermal Engineering， 2016， 92： 111-121.

[ 6 ] 劉敬平， 楊漢乾， 王樹青， 等. 改善增壓天然氣發(fā)動機排放特性的途徑[J]. 中南大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）， 2012， 43（1）： 143-150.

[ 7 ] 官維， 寧德忠， 盛利， 等. 當(dāng)量天然氣發(fā)動機各缸燃燒一致性的試驗研究[J]. 內(nèi)燃機工程， 2023， 44（1）： 60-67.

[ 8 ] 張騰， 韓文濤， 紀常偉， 等. 進氣濕度對重型天然氣發(fā)動機影響的試驗研究[J]. 車用發(fā)動機， 2023（1）： 34-38.

[ mjzfWzZZa+iMiUKCK1hVYg==9 ] 李長錕， 王天友， 孫凱， 等. 進氣加濕結(jié)合廢氣再循環(huán)技術(shù)對高壓直噴雙燃料低速機燃燒及排放的影響[J]. 內(nèi)燃機工程， 2021， 42（1）： 1-6.

[10] Yoshizawa K， Teraji A， Miyakubo H， et al. Study of high load operation limit expansion for gasoline compression ignition engines [J]. Journal of Engineering for Gas Turbines Power， 2006， 128（2）： 377-387.

[11] Das S， Kashyap D， Bora B J， et al. Thermo?economic optimization of a biogas?diesel dual fuel engine as remote power generating unit using response surface methodology [J]. Thermal Science and Engineering Progress， 2021， 24： 100935.

[12] Mariani A， Minale M， Unich A. Use of biogas containing CH4， H2 and CO2 in controlled auto?ignition engines to reduce NOx emissions [J]. Fuel， 2021， 301： 120925.

[13] 朱國輝， 夏孝朗， 劉敬平， 等. 傳統(tǒng)汽油機改進成混合動力Atkinson循環(huán)專用發(fā)動機的節(jié)油效果[J]. 中南大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）， 2014， 45（4）： 1302-1311.

[14] 楊靖， 馬慧超， 王毅， 等. 某高速汽油機改LNG發(fā)動機動力性下降問題研究[J]. 車用發(fā)動機， 2015（2）： 33-39.