郭 華，計維斌，査麗平，瞿俊鳴

火花點燃式生物質(zhì)氣發(fā)動機的試驗研究

郭 華1，2，計維斌1，2，査麗平3，瞿俊鳴1，2

(1. 上汽集團商用車技術(shù)中心，上海 200438；2. 上海內(nèi)燃機研究所，上海 200438；3. 常州常發(fā)農(nóng)業(yè)裝備工程技術(shù)研究有限公司，江蘇 常州 213167)

為了實現(xiàn)國家節(jié)能減排的戰(zhàn)略目標，開發(fā)和生產(chǎn)生物質(zhì)氣發(fā)動機對解決我國能源短缺和環(huán)境污染具有重大的經(jīng)濟效益和戰(zhàn)略意義。將1臺發(fā)電機組用柴油機改裝為火花點燃式生物質(zhì)氣發(fā)動機，并對其進行了試驗研究。

生物質(zhì)氣 發(fā)動機 試驗研究

0 引言

生物質(zhì)能作為1種清潔的可替代能源，具有良好的可再生性和CO2零排放等優(yōu)點，正越來越受到人們的重視。將秸桿、樹皮、木屑等生物質(zhì)氣化是將生物質(zhì)能轉(zhuǎn)換為高效高品位清潔能源的有效措施之一，可作為內(nèi)燃機的代用燃料[1]。基于我國地域廣闊、生物質(zhì)資源豐富的特點，開發(fā)和生產(chǎn)中小功率生物質(zhì)氣發(fā)動機對于我們這個傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)國來說具有得天獨厚的優(yōu)勢，不但可以解決一定程度的能源短缺，還可以減少廢棄生物質(zhì)對環(huán)境的污染及其焚燒產(chǎn)生的二次污染，把農(nóng)業(yè)生產(chǎn)原本的“開環(huán)污染產(chǎn)業(yè)鏈”轉(zhuǎn)變成1個幾乎沒有任何廢棄物外排、自我循環(huán)的良性“閉環(huán)清潔產(chǎn)業(yè)鏈”。為此，本文利用1臺現(xiàn)有4缸發(fā)電機組用柴油機，將其改裝為火花點燃的生物質(zhì)氣發(fā)動機，研究其動力性、經(jīng)濟性和排放性。

1 試驗裝置

1.1 試驗裝置布置

圖1 生物質(zhì)氣發(fā)動機系統(tǒng)布置圖

為保證生物質(zhì)氣發(fā)動機運行安全可靠，本試驗采用的生物質(zhì)氣發(fā)動機及其燃料供給系統(tǒng)布置見圖1。

1.2 試驗用燃氣特性

氣體燃料組分的變化改變了燃料的辛烷值和混合氣的空燃比，根據(jù)燃料的特性合理地確定和調(diào)整氣體燃料發(fā)動機各項工作參數(shù)(如空燃比、點火提前角等)，使燃氣發(fā)動機的各項性能指標達到理想狀態(tài)。在試驗期間，應(yīng)盡量保持燃氣組分的一致性和穩(wěn)定性。

本試驗所用生物質(zhì)氣的原料為同一質(zhì)地的玉米秸稈，從下吸式氣化爐產(chǎn)生的氣體在使用前進行了脫水、脫硫、除塵、除焦和降溫處理，進入發(fā)動機前生物質(zhì)氣的雜質(zhì)含量可以滿足如下要求：(1)焦油<20 mg/m3；(2)總硫<200 mg/m3；(3)硫化氫<20 mg/m3；(4)水分<20 mg/m3；(5)雜質(zhì)粒徑<5 μm，雜質(zhì)含量<10 mg/m3。

在試驗前和試驗過程中對生物質(zhì)氣組分進行了隨機取樣，檢測各主要組分的體積百分比含量(表1)。5次取樣的生物質(zhì)氣低熱值在5.29～5.50 MJ/m3之間，熱值波動率在5%以內(nèi)。

表1 生物質(zhì)氣主要組分的體積百分比

2 試驗發(fā)動機的改裝

生物質(zhì)氣由于熱值低，燃燒速度慢，滯燃期較長，極易造成發(fā)動機排氣溫度過高。因此，大缸徑、長行程的中、低速發(fā)動機較適合采用這種氣體燃料。本試驗對1臺發(fā)電機組用柴油機進行改裝，原柴油機參數(shù)見表2。

表2 改裝用柴油機參數(shù)

為了使原來采用壓燃式工作的柴油機改為采用火花點燃式運行的燃氣機，需要對原機進行必要的改裝：

(1)取消原有的供油系統(tǒng)，重新配置進氣系統(tǒng)，加裝燃氣-空氣混合器、調(diào)壓閥以及燃氣穩(wěn)壓裝置等。

(2)增加點火系統(tǒng)，點火系統(tǒng)中的點火能量、點火提前角應(yīng)可根據(jù)氣體的成分、熱值、著火溫度、火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊纫蛩剡M行調(diào)節(jié)。

(3)降低壓縮比，由原來的16.5改為11。由于生物質(zhì)氣的燃燒速度較慢，極易使發(fā)動機產(chǎn)生回火和爆燃，從而使得機組工作粗暴且不穩(wěn)定，應(yīng)將壓縮比相應(yīng)改小。

(4)提高發(fā)動機的安全性和可靠性。針對生物質(zhì)氣發(fā)動機存在易燃易爆的安全隱患，從分析安全風險入手，參照GB/T 20651.2—2014[2]的要求，對生物質(zhì)氣發(fā)動機進行了安全設(shè)計和防護。同時還按照歐盟EN 12601[3]《內(nèi)燃機驅(qū)動的交流發(fā)電機組——安全》的要求，對發(fā)動機超速，機油壓力過低和冷卻水溫過高，以及發(fā)電機電壓超標和地線接錯等故障設(shè)置了自動緊急停機裝置，以確保在正常停機控制裝置失效時，不致引起重大安全事故。

3 試驗研究

對改裝后的生物質(zhì)氣發(fā)動機進行調(diào)試，研究其動力性、經(jīng)濟性和排放性，并與原柴油機進行對比。

3.1 動力性

通過試驗顯示，采用火花點燃式的生物質(zhì)氣發(fā)動機，可以平穩(wěn)地從怠速進入全負荷工況。生物質(zhì)氣因其低熱值較低，點火滯燃期較長，燃燒速度緩慢，相比高熱值的汽油機，其點火提前角應(yīng)適當增大。圖2示出了為保持節(jié)氣門全開時，發(fā)動機功率與點火提前角的關(guān)系?？梢钥吹?，隨著點火提前角不斷增大，發(fā)動機的功率不斷增加，在上止點前22°CA時，發(fā)動機功率可以達到47 kW，約為原柴油機標定功率的80%。之后，隨著點火提前角持續(xù)增大，活塞上行受阻，發(fā)動機效率降低，功率下降。在超過上止點前30°CA時，爆燃加劇，功率急劇下降。

圖2 功率隨點火提前角的變化

3.2 經(jīng)濟性

3.2.1 氣耗率

以47 kW作為發(fā)動機標定功率，保持轉(zhuǎn)速在1 500 r/min，改變節(jié)氣門開度，測量不同負荷下的氣耗率。圖3表明，隨著負荷不斷增加，發(fā)動機的氣耗率迅速降低，在75%～100%負荷時，氣耗率變化趨于平穩(wěn)，此時發(fā)動機效率較高，經(jīng)濟性最佳。由此可以看出，生物質(zhì)氣發(fā)動機對用于穩(wěn)定負荷的場合尤為合適。

圖3 氣耗率隨功率的變化

3.2.2 熱耗率

發(fā)動機燃用不同燃料時，因其熱值不同，應(yīng)換算為熱耗率才能對其熱效率進行相互比較。熱耗率越低，代表發(fā)動機的熱效率越高。熱耗率計算公式如下：

gh=Ge·Hu/1 000

式中g(shù)h為生物質(zhì)氣熱耗率，kJ/(kW·h)；Ge為生物質(zhì)氣氣耗率，g/(kW·h)；Hu為生物質(zhì)氣低熱值，kJ/kg。

原柴油機標定點最低燃油消耗率為210 g/(kW·h)-1，柴油低熱值大致為42.6 MJ/kg，計算得到原柴油機的熱耗率為8 946 kJ/(kW·h)-1。而改裝后的生物質(zhì)氣發(fā)動機，在標定功率時的熱耗率為9 992 kJ/(kW·h)-1，完全可以滿足JB/T12336—2015[4]的要求。與原柴油機相比，熱耗率有所增加，熱效率接近于原機的90%。

3.3 廢氣排放

發(fā)電機組用發(fā)動機在恒定轉(zhuǎn)速下工作，按照GB/T 8190.4[5]的規(guī)定，采用5個工況循環(huán)試驗測量排放，試驗工況和加權(quán)系數(shù)見表3。CO、HC和NOx排放情況見圖4～6。

表3 排放試驗循環(huán)和加權(quán)系數(shù)

圖4 CO排放隨功率的變化

圖5 HC排放隨功率的變化

圖6 NOx排放隨功率的變化

對于火花點燃式生物質(zhì)氣發(fā)動機，排放的CO主要來源于混合氣中部分尚未燃燒的CO和混合氣中CH4及碳氫化合物(HC)的不完全燃燒，而HC主要來自于生物質(zhì)氣中未燃燒或不能完全燃燒的烴類、焦油高溫裂解產(chǎn)物等，它受發(fā)動機燃燒室余隙容積和壁面激冷層的影響較大。從圖4和圖5可以看出，由于生物質(zhì)氣燃料與空氣同相，并在混合器中與空氣均勻混合，燃燒比較完全，排氣溫度較高，使得CO和HC排放比采用汽油或天然氣等常規(guī)火花點燃式發(fā)動機的要低。隨著發(fā)動機功率的增加，燃燒溫度提高，CO和HC的排放隨發(fā)動機功率的增加快速減小。CO排放在75%～100%負荷時，排放變化趨于平穩(wěn)，HC排放在75%負荷時達到最低，之后隨著負荷的增加，缸內(nèi)溫度和壓力升高，焦油裂解引起HC略有上升。NOx的生成主要受高溫、氧氣含量及排氣在缸內(nèi)停留時間的影響，圖6可以看出生物質(zhì)氣發(fā)動機隨著負荷的增加缸內(nèi)溫度較高，導致NOx排放快速增加。

根據(jù)表3計算得出的CO加權(quán)排放值為2.16 g/(kW·h)-1，HC為0.11 g/(kW·h)-1，NOx為8.01 g/(kW·h)-1。目前尚無針對非道路點燃式發(fā)動機的強制性排放標準，如大致與車用燃氣發(fā)動機排放限值相比，CO和HC均能滿足要求，但NOx排放較高。

4 結(jié)論

就目前的試驗結(jié)果來看，點燃式生物質(zhì)氣發(fā)動機可以平穩(wěn)地從怠速進入全負荷工況，功率可以接近原柴油機的80%，今后通過優(yōu)化缸內(nèi)燃燒等措施將可進一步提升發(fā)動機功率。

點燃式生物質(zhì)氣發(fā)動機在75%～100%負荷時具有較低和平緩的氣耗率，熱效率較高，尤其適用于負荷穩(wěn)定的場合。

隨著負荷的增加，發(fā)動機HC和CO的排放將逐步降低，但NOx排放隨排溫升高將快速增加，且NOx總體排放水平較高。因此在繼續(xù)改進缸內(nèi)燃燒過程的同時，采用機外排氣后處理系統(tǒng)將是必不可少的措施。目前，很多企業(yè)已經(jīng)在研究開發(fā)點燃式燃氣發(fā)動機用三效催化轉(zhuǎn)化器。

[1] 袁振宏，吳創(chuàng)之，馬隆龍，等．生物質(zhì)能利用原理與技術(shù)[M]．北京：化學工業(yè)出版社，2005：169-171.

[2]GB 20651.2—2014往復(fù)式內(nèi)燃機 安全 第2部分:點燃式發(fā)動機.

[3]EN 12601 內(nèi)燃機驅(qū)動的交流發(fā)電機組——安全.

[4]JB/T 12336—2015 中小功率生物質(zhì)氣發(fā)動機技術(shù)條件和試驗方法.

[5]GB/T 8190.4往復(fù)式內(nèi)燃機 排放測量 第4部分：不同用途發(fā)動機的穩(wěn)態(tài)試驗循環(huán).