（农业机械化工程专业论文）沼气生物柴油双燃料发动机性能试验研究.pdf

摘要 摘要 近年来，随着工农业的迅猛发展，石油资源日渐减少，大气污染的r 益严重以 及日益严格的排放法规，都促使人们去寻求可替代能源。在众多可替代燃料中，基 于生物质的沼气、生物柴油都是比较理想的可再生燃料。由于沼气中含有大量的 c 0 2 ，发动机燃用沼气燃烧速度慢，c o 和h c 的排放较高，大负荷时缺氧严重；而 生物柴油中含有较多的氧，有利于燃烧完全，c o 和h c 的排放较低，但会使n o x 排放上升。 结合沼气和生物柴油这两种生物燃料的特性，在直喷柴油机上实现沼气与生物 柴油高效混燃，充分发挥沼气和生物柴油优越的理化特性和燃烧特性，通过专门研 制双核电控单元( e c u ) ，建立相应的控制模型，研制了沼气电控多点喷射系统， 使2 9 5 t 型直喷柴油机能运行在沼气生物柴油双燃料模式。在相同条件下，以改装 后的发动机为试验装置，分别燃用柴油和沼气生物柴油双燃料进行了台架性能试 验。 试验结果表明：发动机改装后运行在沼气生物柴油双燃料模式与原机( 燃用纯 柴油时的发动机) 相比，动力性能略有提高，热效率提高，当量燃油消耗率降低， 经济性能明显改善，n o x 的排放量明显降低，c o 排放量基本不变，h c 排放量有所 增加。试验结果进一步表明所研制的沼气电控喷射系统工作可靠、性能稳定、输出 响应好，有效地控制了沼气的定时定量喷射。含大量c 0 2 的沼气和含氧的生物柴油 组合在柴油机内燃烧，可以达到优势互补、劣势抵消的效果，有利于燃烧完全并减 少n o x 的排放量，解决了沼气发动机功率下降，排放性能和经济性变差的问题。由 于空气充量的减少，进入气缸0 2 减少，直接导致h c 排放量增加，可以采用涡轮增 压方式或是用h c 吸附器加以解决，出于试验条件的限制，未能采用涡轮增压和h c 吸附器。 关键词：直喷柴油发动机；双燃料；多点喷射；性能；沼气；生物柴油 华中农业人学硕j ：学位论文 a b s t r a c t i nt h er e c e n ty e a r s ，w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fi n d u s t r ya n da g r i c u l t u r e ， p r o b l e m so fd w i n d l i n go i lr e s o u r c e s ，i n c r e a s i n 百ys e r i o u sa i rp o l l u t i o na n di n c r e a s i n 舀y s t r i n g e n te m i s s i o n sr e g u l a t i o n sh a v ep u tag r e a tp r e s s u r et oo u rm a n k i n d p e o p l eh a v et o s e e kc l e a n e ra l t e r n a t i v es o u r c e so fe n e r g y a m o n gm a n ys u b s t i t u t ef u e l s ，w ef o u n dt h a t b o t hb i o m a s s b a s e dm e t h a n ea n db i o d i e s e la r eg o o dr e n e w a b l ef u e l s b e c a u s em e t h a n e c o n t a i n sq u i t eal a r g ep a r to fc 0 2 ，t h ec o m b u s t i o no fm e t h a n ee n g i n eb e c o m eq u i t e s l o w l y ；t h ee n g i n e sc oa n dh ce m i s s i o n sg r o wu p a n da th e a v i e r1 0 a do x y g e n d e f i c i e n c yi nt h ee n g i n eb e c o m e se v e nm o r es e r i o u s b e c a u s eb i o d i e s e lc o n t a i n ss o m e o x y g e n ，s ot h ee n g i n eh a sl o w e re m i s s i o no fc o a n dh c ，b u ti t sn o xe m i s s i o n sr i s eu p t oa c h i e v ee f f i c i e n tm i x e dc o m b u s t i o no fm e t h a n ea n db i o d i e s e li nad i r e c t i n j e c t i o n ( d o d i e s e le n g i n e ，a n dt om a k eu s e a d e q u a t e l yo f t h ea d v a n t a g e o u s p h y s i c o c h e m i c a la n dc o m b u s t i o nc h a r a c t e r i s t i e so fm e t h a n ea n db i o d i e s e l ，as p e c i a l d u a l c o r ee l e c t r o n i cc o n t r o lu n i t ( e c u ) w i t hc o n t r o lm o d e la n dm e t h a n ee l e c t r o n i c c o n t r o li n i e c t i o ns y s t e mw a sd e v e l o p e d s ot h e2 9 5 td id i e s e le n g i n ec a nb ef u e l e d s u c c e s s f u l l yw i t hm e t h a n e b i o d i e s e ld u a l f u e lw i t ht h eh e l po ft h ee l e c t r o n i cc o n t r o l m u l t i p o i n tm e t h a n ei n j e c t i o ns y s t e m t a k i n gd i e s e lo i la n dm e t h a n e b i o d i e s e la sf u e l r e s p e c t i v e l y , p e r f o r m a n c et e s t so ft h er e f i t t e de n g i n eh a db e e nd o n eu n d e rt h es a m e c o n d i t i o n t e s tr e s u l t si n d i c a t et h a tt h er e f i t t e de n g i n ef u e l e dw i t hm e t h a n e b i o d i e s e ld u a lf u e l h a sas l i 曲t l y h i g h e rp o w e rp e r f o r m a n c e ；ah i g h e rt h e r m a le f f i c i e n c y a n dl o w e r e q u i v a l e n tf u e lc o n s u m p t i o n 1 t sn 0 xe m i s s i o nb e c o m e sl o w e r a n di t sc 0l e v e li s c l o s e dt ot h a to ft h ep r o t o t y p ed i e s e le n g i n e b u ti t sh ce m i s s i o nl e v e lb e c o m e sh i g h e r c o m p a r e dw i t h t h e p r o t o t y p e d i e s e le n g i n e t h er e s u l t sf u r t h e rs h o wt h a tt h e d e v e l o p m e n to fe l e c t r o n i c a l l yc o n t r o l l e dg a si n j e c t i o ns y s t e mi sr e l i a b l e ，s t a b l e ，r a p i d c o r r e s p o n d i n ga n dp r e c i s ef o rc o n t r o lo fg a sj e tq u a n t i t y c o m b i n a t i o no fm e t h a n ea n d b i o d i e s e lm a yh e l pt or e a c hc o m p l e t ec o m b u s t i o ni nt h ed u a lf u e le n g i n e t h i s c o m b i n a t i o ne n h a n c e sb o t hf u e l s a d v a n t a g e sa n do f f s e tt h e i rd i s a d v a n t a g e s t h i s a r r a n g e m e n tc a nr e d u c en o xe m i s s i o n sa n dt or e t a r dt h ed e c l i n eo fp o w e ri nag a s e n g i n e b e c a u s eo ft h er e d u c t i o no fa i ri n t ot h ec y l i n d e rw h i c hr e d u c e st h e0 2 ，ad i r e c t r e s u l to ft h eh ce m i s s i o nl e v e lw a sh i g h e rc o m p a r e dw i t ht h ep r o t o t y p ed i e s e le n g i n e t or e d u c et h eh ce m i s s i o n sat u r b o c h a r g e ro rah ca b s o r b e rs h o u l db eu s e d f o rt h e l i m i to ft e s tc o n d i t i o n s ，w eh a v en o ta d o p t e dt u r b o c h a r g e ra n dh ca b s o r b e r k e yw o r d s ：d i r e c ti n j e c t i o n d i e s e l e n g i n e ；d u a l - f u e l ；m u l t i p o i n ti n j e c t i o n ； p e r f o r m a n c e ；b i o g a s ；b i o - d i e s e l 华中农业大学学位论文独创性声明及使用授权书 学位论文 是否保密否 如需保密，解密时间年月 目 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华中农业大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料，指导教师对此进行了审定。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中做了明确的说明，并表示了谢意。 研究生签名：武是帆岬年r 日 学位论文使用授权书 本人完全了解华中农业大学关于保存、使用学位论文的规定，即学生必须按照学 校要求提交学位论文的印刷本和电子版本；学校有权保存提交论文的印刷版和电子版， 并提供目录检索和阅览服务，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位 论文。本人同意华中农业大学可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学位论文的全 部或部分内容，同时本人保留在其他媒体发表论文的权力。 注：保密学位论文( 即涉及技术秘密、商业秘密或申请专利等潜在需要提交保密的论 文) 在解密后适用于本授权书 学位敝储鲐鄯电锄鲐篓粗、叶 签名日期：工一7 年月f 日签名日期：卅年6 月t o 日 注：请将本表直接装订在学位论文的扉页和目录之间 华中农业大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题的提出 1 1 1 沼气燃烧特性的研究概况 沼气是一种资源丰富而价廉的生物质能源( 冉国伟等，2 0 0 6 ) ，来源广泛。在厌 氧条件下，有机物质通过微生物分解与转化形成沼气。目前，农村兴建的小型沼气 工程主要是以人畜粪便和农作物秸秆等为原料。城市生活垃圾进行厌氧发酵处理也 可制取沼气( 张记市等，2 0 0 5 ) 麦秸可兼制作沼气和氨化饲料( 庄贵阳等，1 9 9 6 ) ； 海藻可以通过发酵生成沼气( 张向文，1 9 9 7 ) ；泥潭、污水处理场的污泥等也可通过 厌氧发酵生产沼气。 沼气的主要成份是甲烷和二氧化碳，其中甲烷含量一般为5 5 7 5 ，二氧化 碳的含量般约为2 0 4 5 ，其余还有少量的氮气、硫化氢和一氧化碳等气体( 熊 树生等，2 0 0 2 ) 。由此可见，燃烧沼气产生的热量主要由甲烷提供。甲烷的着火温度 较高( 9 0 5 3 k ) ，在烃类燃料燃烧中速度最慢( 3 7 3 c m s ) ，再加上沼气还含有大量的 具有阻燃作用的二氧化碳，使沼气燃烧速度更慢，仅2 2 c m s ( 陈勇，2 0 0 2 ) 。沼气的 燃烧速度慢，这种特性给沼气发动机的燃烧过程带来了诸多不利影响，使发动机后 燃严重，排气温度高，排放性和经济性差( s o u r c eb a ds ，1 9 9 6 ) 。 沼气作为一种新型可再生燃料，具有较高的热值，与其它燃气相比，其抗爆性 能较好，是一种性能优良的清洁燃料( 曾国揆等，2 0 0 5 ) 。目前，气体燃料在内燃机 上的应用越来越受到人们的关注，以柴油作为引燃燃料的双燃料发动机因其具有燃 料使用灵活、燃油经济性好、碳烟排放少、发动机改动小、改动成本低等特点而具 有良好的推广前景( 祁东辉等，2 0 0 2 ) 。 和普通汽油机和柴油机一样，沼气发动机的废气也含有有害排放物，主要有c o 、 n o x 、h c 以及少量的s o x 和微粒等。由于沼气发动机的燃烧速度慢，燃烧温度低， n o x 排放量比柴油机低得多；由于沼气中含有大量c 0 2 ，且本身含有一定的c o 组 份，燃烧时氧气的浓度相对于燃用单一柴油时要低，h c 及c o 的排放量比柴油机高， 沼气发动机的颗粒排放较柴油机低( 周玉明，2 0 0 1 ) 。甲烷的温室效应是二氧化碳的 2 2 倍以上，燃用沼气可以减轻大气的温室效应( 王艳秋，2 0 0 4 ) 。 沼气中的硫化氢含量一般低于0 1 ，沼气如果不经任何处理而直接进入发动机 燃烧，硫化氢燃烧后形成的硫化物会直接腐蚀发动机零部件，特别是气缸、活塞环 和轴瓦等，而且硫化物排入大气中，会形成酸雨( 董刚等，2 0 0 2 ) 。因此，沼气在进 入发动机或燃烧器之前必须进行脱硫处理。脱硫方法有：干法脱硫、湿法脱硫和生 物法脱硫( 陈业钢，2 0 0 2 ) 。 在某些沼气供气系统中安装汽水分离器以降低沼气湿度，减少对管道及设备的 腐蚀，并防止凝结水对气路的阻塞，在汽水分离器中加装冷凝聚结填料以使气流和 第l 章绪论 冷凝水处在不同的通道( r o b e r t a c o r b i t t ，1 9 9 0 ) ，同时起到凝水和沉淀作用。 1 1 2 点燃式沼气发动机燃烧特性的研究概况 沼气发动机一般由柴油机或汽油机改装而成，分为双燃料和单燃料两种。单一 沼气发动机一般由汽油机改装而成，用电火花点燃沼气空气混合气。由于沼气燃烧 速度慢，一般采用高能点火系统，增大点火系统的初级电流和电压，能明显改善点 火式沼气发动机的性能( 陈勇，1 9 9 8 ) 。 在加速沼气发动机的燃烧速度方面，国内外许多学者进行了研究。采用提高压 缩比、加强混合气的气流扰动、提高点火能量等方法可以加快可燃混合气的燃烧速 度( 蒋德明等，1 9 9 2 ) 。陈泽智等( 1 9 9 8 ) 对四种不同类型的燃烧室进行了对比实验 和研究，发现其专门设计的半八卦型燃烧室可增强燃烧室内的紊流强度，有利于加 快混合气的燃烧速度，改善燃烧过程，使沼气发动机的性能大为改善。夏来庆等 ( 1 9 9 7 ) 对风扇形燃烧室的快速燃烧系统进行了研究，发现该燃烧室能有效提高沼 气的燃烧速度，明显改善电火花点火式沼气发动机的可靠性和经济性。采用紊流型 燃烧室，可获得最佳空燃比的混合气以及高能点火系统，有利于火核的形成，加快 燃烧速度，改善沼气发动机的启动性( 夏来庆等，1 9 9 7 ) 。 1 1 3 压燃式沼气柴油双燃料发动机燃烧特性的研究概况 对于沼气柴油双燃料发动机，可以通过向燃烧室内喷入少量的柴油引燃，在结 构上只需要对柴油机的进气管和调速结构作些改动，改装简单，并且具有良好的灵 活性( h e n h a ma ，1 9 9 8 ：h a m m a dm 1 9 9 9 ) 。 对柴油机进行改装，在柴油机上使用沼气柴油双燃料，关键是改装进气混合系 统和燃料调节系统。工作时，沼气由安装在进气总管上的混合器进入气缸并开始和 空气混合，吸入气缸后，在进气和压缩行程混合继续进行，当活塞压缩行程接近上 止点时，少量柴油由喷油器喷入燃烧室，柴油压缩自燃后，点燃缸内的可燃混合气 燃烧做功。沼气柴油双燃料发动机在正常运行情况下，其引燃柴油量为该发动机改 装前额定工况下燃用纯石化柴油耗油量的8 2 0 之间( 熊树生等，2 0 0 3 ) 。 双燃料发动机具有较好的灵活性：在沼气供应不充足时，通过增加参与燃烧的 柴油量，也可以完全燃烧柴油，保证发动机的正常运行，在产气量较少的地方也具 有较好的实用性( 如农村小沼气工程) 。沼气柴油双燃料发动机的最大优点是利用 少量的引燃柴油压燃后引燃沼气，哪怕只有5 左右的柴油，其着火能量都会远高于 电火花点火的能量，可以使沼气着火延迟期乃至整个燃烧期缩短，从而解决沼气机 的严重后燃、排气温度高与热负荷大的问题( 熊树生等，2 0 0 3 ) 。 1 1 4 生物柴油发动机燃烧特性的研究概况 普通植物油不适合直接在柴油发动机上使用。1 0 0 多年前，就有学者开始在柴 2 华中农业人学硕上学位论文 油机上试验使用植物油。在近3 5 0 多种植物油中，菜子油、大豆油、花生油、棉籽 油和向同葵籽油都具有作为柴油代用燃料的潜力，它们热值高、来源广泛、易于储 藏。但其粘度一般比柴油高出1 0 2 0 倍，挥发性和常温流动性差，在柴油机上使用 时会生成较多的沉积物，使得喷油嘴结焦、活塞环卡死、润滑油变质等不良现象发 生，并且使得发动机排放性变差。植物油的十六烷值( 约3 2 , - 一3 6 ) 低于轻柴油( 约 4 5 - 4 6 ) ，比柴油难着火( 何学良等，1 9 9 9 ) 。 在所有替代燃料中，生物柴油的热值最高，且具有良好的兼容性( 成晓北等， 2 0 0 8 ) 。近年来，各国研究人员对生物柴油在发动机的实际应用上进行了广泛的研究 ( m u s t a f ab a l a ta n dh a v v ab a l a t ，2 0 0 8 ) 。生物柴油是一种脂肪酸甲脂类化合物，是 由甲醇或乙醇等醇类物质与天然植物油或动植物油中主要成份羧酸发生脂交换反应 而产生( 忻耀年等，2 0 0 1 ) 。羧酸与醇类在催化剂作用下生成羧酸脂与水，使原有三 元脂转化为单脂。如果是甲醇参加反应，则生成羧酸脂为甲脂，如果是乙酸参加反 应，则生成羧酸脂为乙脂。脂化反应使油料碳链长度变短，降低油料的粘度，改善 了油料的流动性和汽化性能，使之达到了作为发动机燃料的使用性能( 李跟宝等， 2 0 0 4 ) 。 葛温珊等( 2 0 0 4 ) 对增压柴油机和普通柴油燃用生物柴油进行了对比实验，发 现在对喷油泵不作任何调整时，直接燃用生物柴油时动力减少量低于5 ，无论在 全负荷还是在部分负荷工况下，燃用生物柴油均能大幅度降低柴油机可见排气污染 物、微粒、c o 及h c ，但会使n o x 排放量上升。柴油发动机燃用生物柴油动力有所 降低的主要原因是生物柴油中含有1 0 左右的氧，直接降低了碳和氢的含量。这也 是降低尾气有害气体排放的原因( 丁丽芹等，2 0 0 2 ) 。d l a f o r g i a 等( 1 9 9 5 ) 通过实 验研究发现，用1 0 0 生物柴油或生物柴油与石化柴油掺混燃烧时，适当提前喷射 可以使排放性能更好。当生物柴油与柴油掺混燃烧时，排放降低效果与生物柴油在 与石化柴油构成的混合油中的比例成正比( 袁银南等，2 0 0 3 ；a s r a m a d h a s 等， 2 0 0 5 ；王忠等，2 0 0 5 ) 。由于生物柴油中自含氧1 0 左右，因此，生物柴油容易氧 化。a b d u lm o n y e m 等( 2 0 0 1 ) 专门对氧化了的和未氧化的生物柴油在发动机上进行 燃烧试验研究，发现与未氧化的生物柴油相比，氧化了的生物柴油的c o 和h c 排 放量分别低了1 5 和1 6 ，而微粒和n o ，排放量没有什么明显变化。 1 2 双燃料发动机应用技术的发展 目前，绝大多数双燃料发动机是由传统柴油机、汽油机上改装而成，在传统发 动机基础上，通过改变少量的零件设计或是添加相应的部件完成发动机的双燃料改 装( 赵骆伟，2 0 0 2 ) 。其中，改装技术的关键是燃料供给系统和燃料调节系统。目前 气体燃料供给形式可分为两大类：缸内供气和缸外供气方式，前者包括进气道混合 器预混合式和进气道喷射式：后者主要包括缸内高压喷射式和低压喷射式( 尤秋菊 3 第1 章绪论 等，2 0 0 6 ) 。 1 2 1 机械控制混合器预混合式供气 改装技术发展初期，多数沼气柴油双燃料发动机通过安装在进气总管上的混合 器将空气沼气的混合气送入气缸。沼气空气混合比有两种控制方法：一是压力控制 法，通入混合器的沼气压力由与加速踏板相连接的机械装置控制，满负荷时沼气压 力最大，低负荷时沼气压力最小；其次，通过机械装置控制供气管道中的阀门开启 角度来调节供气量( 赵骆伟，2 0 0 2 ) 。柴油喷射量的控制：将柴油机调速器和供油拉 杆脱开，并将柴油供油量设置在怠速状态，用少量的柴油作为引燃油( 张延峰等， 2 0 0 4 ) 。改装后的双燃料发动机主要存在以下缺点：沼气替代率偏低；发动机的功率 减少较多；中低负荷工况的排放性能和经济性较差。因而，这种改装方案只作为发 展初期时的应用方案。但由于供气装置简单，现在仍然在应用( 杨梅，2 0 0 5 ) 。 1 2 2 电子控制预混合式供气 虽然燃油电喷技术发展较快，但在沼气发动机中应用还极少，以电子控制在天 然气供给系统中应用为例。和机械控制预混合器预混合式供气方式一样，使用混合 器将天然气和空气混合，但天然气的供给通过电控单元精确控制。通过由电控单元 控制的混合器和喷射阀实现天然气的电控喷射。喷射阀可以安装在进气总管上或是 进气歧管上。采用电控混合器，依照电控单元的指令控制进入进气总管的天然气量。 天然气喷射阀为高速电磁阀，喷射阀由电控单元控制，定时定量向相应气缸的进气 总管或歧管处喷射天然气，喷射出的天然气和空气混合一起进入气缸内( 张延峰等， 2 0 0 4 ) 。 电控喷气技术是气体燃料发动机最具优越性的供气方式，不论气体燃料的缸外 喷气还是缸内喷气，都将比混合器预混合供气方式具有显著优点( 高青等，2 0 0 0 ) 。 沼气生物柴油双燃料电控多点喷射技术，尽管该技术实施比较复杂，技术难度较大， 但它优良的气体燃料发动机工作性能和优越的排放性能，必将随着现代科技的发展 而使得其在沼气燃料发动机上逐渐应用。 1 2 3 缸内喷射供气 缸内供气技术方式分为：缸内高压喷射和低压喷射( 尤秋菊等，2 0 0 6 ) 。其中低 压喷射供气方式主要用在压缩比低的发动机上( 孙济美，1 9 9 8 ) i 高压喷射供气方式 主要用在高压缩比和压缩终点喷射的气体燃料的发动机上。对于大型发动机和高速 发动机，往往采用高压喷射达到较高的燃料供给量和延续较短的供气喷射时刻( 冯 幸福和吴同起，2 0 0 1 ) 。缸内喷射供气( 尤其是高压喷射式) 改装技术可以使得发动 机在高负荷工况下良好的动力性和热效率，同时，避免两种不同燃料在燃烧过程的 相互干涉和影响，克服双燃料发动机燃烧过程复杂性的组织调节( 李书泽等，2 0 0 5 ) 。 4 华中农业大学硕十学位论文 其技术难度和成本高，仍处于研究阶段( 阿比旦，2 0 0 1 ) 。由于沼气加压困难，缸内 高压喷射技术和低压喷射技术应用在沼气发动机中，技术难道相对其他气体燃料发 动机要大很多。 1 2 4 双燃料发动机其他技术的研究 大部分双燃料发动机保留了原来的供油系统，改装简单，成本较低，可以工作 在柴油和双燃料模式。但是，由于保留原了供油系统，双燃料发动机的喷油性能可 能出现一些问题，当发动机每循环的喷油量降低至额定工况的5 1 5 时，供油系 统变得不稳定，导致柴油的雾化质量下降，燃烧过程变差，而且由于流经喷油器的 燃油变少，喷油器冷却变差，喷油器工作不稳定。因此，对于双燃料发动机，喷油 系统需要重新设计以满足双燃料发动机对小引燃油量的要求。采用微量引燃喷射器 为气体燃料提供点火引燃油，可以使发动机气缸内气体燃料的燃烧过程组织更好， 提高气体燃料的替换率，改善尾气排放( 张延峰等，2 0 0 4 ) 。 综上所述，有关学者在沼气燃烧特性、压燃式沼气发动机燃烧特性、点燃式沼 气发动机燃烧特性、沼气生物柴油双燃料发动机燃烧特性以及生物柴油发动机燃烧 特性等方面已进行了较为深入地研究，技术上趋于成熟，沼气和生物柴油已分别在 实践中有一定的应用，但综合沼气、生物柴油双燃料发动机的燃烧机理和排放特性 国内外未见报道。 沼气和生物柴油都已经成功地用在发动机上，柴油机能够较好地燃用沼气和生 物柴油。由于沼气中含有大量的c 0 2 ，发动机燃用沼气在大负荷时缺氧严重，燃烧 速度慢，c o 和h c 的排放较高；而生物柴油中含有较多的氧，有利于燃烧完全， c o 和h c 的排放较低，但会使n o x 排放上升。结合沼气和生物柴油这两种生物燃 料的特性，在柴油机上燃用沼气生物柴油双燃料，研究其燃烧机理和排放特性。沼 气所含的大量c 0 2 ，具有阻燃作用，使燃烧速度减缓，导致c o 和h c 排放上升， 但会抑制n o 。的生成；而生物柴油含有较多的氧，会促进完全燃烧，导致c o 和h c 排放下降，但会引发n o ；排放的上升。将沼气和生物柴油混合在一起在柴油机内燃 烧，可以达到优势互补、劣势抵消的效果，有利于燃烧完全并减少有害气体的排放。 1 3 研究目的和意义 在2 9 5 t 型柴油发动机上燃用沼气生物柴油，探索在柴油机上燃用这一新型组 合燃料的可行性及合理配比，设计并实现一套可行的燃料喷射系统；揭示多点喷射 系统进气条件下沼气生物柴油双燃料发动机的燃烧机理及燃烧特性；建立起该发动 机的动力性、经济性和排放性指标，为在该类型发动机上有效使用可再生生物能源 沼气和生物柴油提供理论和应用依据。 ( 1 ) 对燃用沼气生物柴油双燃料发动机采用沼气电控喷射系统的方案，系统 5 第1 章绪论 电控单元根据发动机的工况实现燃料的精确喷射，可以减少自然吸气式发动机动力 性能下降，功率损失严重，排放变差等现象。 沼气生物柴油发动机的特点是在沼气供应不充足时，可以增加参与燃烧的生物 柴油量，或者完全燃烧柴油，以保证发动机的正常运行，使用灵活，适合于产气量 较少的地方( 如农村小沼气工程) 。 ( 2 ) 考察沼气生物柴油发动机动力性、经济性和排放性指标，探寻沼气生物 柴油发动机沼气空气混合比例及其优化组合方法，为该类型发动机能有效使用可再 生生物能源沼气和生物柴油提供理论依据。 ( 3 ) 含大量c 0 2 的沼气和含氧的生物柴油组合在柴油机内燃烧，可以达到优势 互补、劣势抵消的效果，有利于燃烧完全并减少有害气体的排放。 ( 4 ) 沼气生物柴油双燃料发动机可用于农村、养殖场等有沼气来源的地方， 作为固定动力源，用以发电或是为固定作业的农业机具提供动力。 ( 5 ) 目前国际油价持高不下，国内柴油紧缺，近来国内很多地方出现油荒，本 课题研究将实现沼气和生物柴油对石化柴油的完全替代，该研究不仅能缓解当今柴 油危机，对能源稳定供给、经济的可持续发展和社会稳定都有重要的意义。 1 4 研究内容、关键问题与研究路线 1 4 1 研究内容 在柴油机上采用电控多点喷射系统喷射沼气，保留原机柴油喷射系统喷射生物 柴油作为引燃油，实现沼气生物柴油双燃料发动机，在沼气不充足时可以直接燃用 柴油，发动机不需要做任何改变。 主要研究内容： ( 1 ) 对发动机试验台架进行了改装：由于原试验台架在冷却、空气循环、传动 效率、油门控制等方面存在很多不符合实际要求的地方，针对试验要求和发动机工 作要求对实验台进行了必要改装。 ( 2 ) 沼气供气系统设计：供气系统从沼气发酵池到发动机，为发动机提供去硫， 干燥和稳定流量的沼气。供气系统采用系统主要部件包括：沼气储气池、沼气调节 阀、脱硫器、脱水器、流量计、沼气泵、高速电磁阀等。 ( 3 ) 沼气电控喷射系统硬件设计。沼气电控多点气体喷气系统，电控单元直接 采集各种传感器信号，如发动机的曲轴信号，冷却水温度等信号经过分析，确定沼 气喷射器开启的时间和脉冲宽度。 ( 4 ) 控制系统的软件设计：根据硬件的设计，进行相应的软件设计，在实现基 本控制的基础上，实现实时控制。 ( 5 ) 通过电控单元对电磁阀开启时间的控制，考虑发动机在不同沼气空气混 合比例下发动机的经济性能和排放性能，确定最佳沼气空气混合比例。为了保证未 6 华中农业大学硕士学位论文 经改动的原柴油机喷油嘴工作可靠，发动机能长期正常运行，流经喷油嘴并对喷油 嘴起到冷却作用的柴油量不能太少。 ( 6 ) 发动机燃用沼气生物柴油双燃料的动力性能、经济性能和排放特性研究： 在相同条件下，以改装后的发动机为试验装置，分别燃用柴油和沼气生物柴油双燃 料进行了台架性能试验，为该类型发动机能有效使用可再生生物能源沼气和生 物柴油提供理论依据。 1 4 2 关键问题 ( 1 ) 确定沼气空气混合比例及其控制方法。沼气生物柴油双燃料发动机的主 体燃料是沼气，生物柴油主要是作为引燃燃料。当发动机负荷增加时，调节器使进 入气缸的沼气量增加。由于气缸容积一定，在自然吸气进气条件下，增加进入气缸 的沼气量势必减少进入气缸空气量，使气缸内空气迅速变得缺乏，混合气变得过浓， 导致以沼气为主体燃料的发动机在大负荷燃烧恶化，有害排放加重。 为了克服这一问题，采用电控多点喷射系统来缓解以沼气为主体燃料发动机在 大负荷条件下燃烧恶化的问题。因此，确定空气在常压供给条件下，沼气一空气的最 佳混合比及其控制的问题是拟解决一个关键问题。 ( 2 ) 完成硬件电路的开发和调试。其硬件电路包括曲轴位置信号、水温信号， 转速等信号的采集电路；以及定时器接成的多谐振荡器、电源、单片机外围程序存 储器的扩展和电磁阀驱动电路等。 这是拟解决第二个关键问题。 ( 3 ) 研究改装后发动机运行在沼气生物柴油双燃料模式下发动机动力性、经 济性和排放性指标，探寻沼气生物柴油双燃料发动机燃烧机理，为该类型发动机能 有效使用可再生生物能源沼气和生物柴油提供理论依据。 1 4 - 3 研究路线 对沼气生物柴油双燃料在柴油机上的燃烧特性和排放特性进行研究，探索在柴 油机上燃用这一新型组合燃料的可行性，对相关试验数据要进行理论分析，做出相 应的解释和判断。采用试验研究和理论分析相结合的方法进行。 ( 1 ) 试验发动机为2 9 5 t 型柴油机，该机为涡流式燃烧室。这种发动机为二缸、 卧式、四冲程、蒸发水冷发动机，功率为1 7 7 k w ( 2 0 0 0 r p m ) ，压缩比为1 9 5 ：1 ，适 用于拖拉机配套，并可用于小型排灌、农副业加工及小型发电机、空压机、内河船 舶、运输车辆的动力。 ( 2 ) 采用的沼气来自本院生物能源与环境实验室的普通水压式沼气池产生的沼 气，沼气池容积为2 0 m 3 ，与沼气池配套，建起了一个浮式圆筒型储气筒，以保证沼 气的恒压供气，发酵沼气的原料选定为猪粪和作物秸秆。 7 第1 章绪论 ( 3 ) 采用的引燃油为生物柴油。使用的生物柴油为地沟油或是菜子油转化所得， 生物柴油可以从国内市场购得。湖南海纳百j l i 生物能源公司，海南正和生物能源公 司、四川古杉油脂化工公司和福建卓越新能源发展公司都已经开发出拥有自主知识 产权的技术，相继建成了万吨级规模的生产装置。 ( 4 ) 沼气脱硫装置：沼气中含有少量的硫化氢( h 2 s ) ，该气体对发动机有强烈 的腐蚀作用，沼气在进入发动机前必须进行脱硫处理。 ( 5 ) 进气系统：在进气歧管上需加装一套沼气多点喷射系统，以调节空燃比和 混合气进气量，混合气应调节准确，混合均匀。沼气多点喷射系统，需要建起一个 类似于沼气浮式圆筒型储气筒的浮式圆筒型空气储气筒，以保证在稳定压力下实现 增压进气，储气筒内的空气靠空气压缩机送入，通过改变储气筒顶部的配重实现调 节供气压力。 ( 6 ) 由于沼气中含有大量的二氧化碳。其燃烧速度很慢，不利于燃烧过程的顺 利进行，采用生物柴油引燃，加快沼气着火，缩短着火延迟期甚至沼气燃烧期。 ( 7 ) 指标测定：发动机的动力指标和经济指标用发动机综合测试仪测定，发动 机的有害气体的排放指标用发动机尾气分析仪测定。 控制系统在实时控制过程中，用以完成信号的采集与处理、做出控制决策及生 成控制信号等任务。控制系统的组成如图1 - 1 所示。 电控单元 传感器 1 缸喷气器 输 出 冷却水温信号 电 2 缸喷气器 路 凸轮轴位置 输 l 入 i 电 路 r 0 厦ra h i 苦 害 - _ 啼 c p u复位电路 图1 - 1 控制系统的组成框图 f i g 1 - 1s c h e m a t i co fe l e c t r i c a la n dc o n t r o ls y s t e m 沼气喷射系统设计，是双燃料发动机改装的关键。沼气喷射系统的核心是电控 单元，它负责采集各种传感器信号，如发动机的曲轴转角、转速、冷却水温度等， 进行分析计算，确定喷入各缸的沼气量和时间。系统主要部件包括：沼气调节阀、 稳压筒、电动沼气泵、喷射器和电控单元等。系统的主要工作原理为：当沼气电控 单元检测到发动机进入工作状态后，根据储存在微处理机内的发动机转速和负荷的 各种组合，调节各沼气喷射器丌启时刻和持续时间。沼气喷射系统由沼气多点喷射 8 华中农业大学硕上学位论文 系统和原柴油机柴油喷射系统组成。柴油机采用纯生物柴油启动，当冷却水温达到 一定温度的时候，电控单元控制沼气多点喷射系统开始工作，生物柴油喷射量开始 减少，引燃生物柴油量随柴油机转速的增加而减少。 1 5 本章小结 沼气中含有较大比例的c 0 2 ，发动机燃用沼气燃烧速度慢，c o 和h c 的排放较 高，大负荷时缺氧严重；而生物柴油中含有较多的氧，有利于燃烧完全，c o 和h c 的排放较低，但会使n o x 排放上升。沼气和生物柴油都已经成功地用在发动机上， 柴油机能够较好地燃用沼气生物柴油双燃料。 结合沼气和生物柴油这两种生物燃料的特性，结合单燃料、双燃料气体发动机 研究现状，在柴油机上拟开发了一套沼气电控喷射系统，实现发动机沼气生物柴油 双燃料运行。 9 第2 章沼气的燃烧特性和供给形式 第2 章沼气的燃烧特性和供给形式 沼气的主要成份是甲烷，其他的主要成份是二氧化碳和氮气，此外还有少量的 硫化氢、氢气和一氧化碳等气体成份。沼气的着火温度高，燃烧速度慢，沼气作为 发动机燃料时会出现功率下降，排放变差等问题，不能充分发挥其清洁能源的特性。 目前，气体燃料供给方式可分为两大类：缸内供气和缸外供气方式，目前应用的沼 气发动机基本上都是采用缸外供气方式。采用电控技术，特别是电控喷气和喷油技 术，将是彻底解决双燃料发动机的动力性、经济性、排放性和替代性等问题的较佳 方案( 薛金林等，2 0 0 6 ) 。 2 1 沼气的燃烧特性 2 1 1 沼气的成份 试验在华中农业大学工科基地进行，沼气成份如下表所示。 表2 1 沼气的主要成份( 百分比) t a b l e2 1t h em a i nc o m p o n e n t so fb i o g a s 项目含量 甲烷 氮气 二氧化碳 氢气 一氧化碳 硫化氢 6 8 o 1 2 9 2 0 3 0 注：沼气成分由0 6 级博士生王嫒嫒测试 2 1 2 沼气的理化特性 沼气的主要成分是甲烷。甲烷的着火温度较高( 9 0 5 3 k ) ，再加上沼气还含有大 量的具有阻燃作用的二氧化碳，使沼气燃烧速度更慢，仅2 2 c m s ( 陈勇，2 0 0 2 ) 。由 于沼气的燃烧速度慢，当沼气用于发动机时，发动机会出现“后燃”等不正常的燃 烧现象。在加速沼气发动机的燃烧速度方面，人们进行了许多研究。采用提高压缩 比、加强混合气的气流扰动、提高点火能量等方法可以加快可燃混合气的燃烧速度 ( 蒋德明等，1 9 9 2 ) 。而且各种沼气的成份相差很大，因此其着火温度也相差较大。 试验采取生物柴油引燃，相当于高能点火，加快燃烧速度。 沼气中含有少量的硫化氢，硫化氢对发动机的影响很大。沼气必须先经过脱硫 处理以降低硫化氢的含量才能进入发动机，否则硫化氢燃烧产物将严重腐蚀发动机 零部件，特别是气缸、活塞环和轴瓦等( 董刚等，2 0 0 2 ) 。为了保证发动机能够长期 可靠的掺烧沼气，必须对沼气进行较严格的脱硫处理。此外，沼气中还含有少量的 水蒸气，水蒸气会降低发动机燃烧室温度，降低发动机的效率。因此，沼气在进入 发动机前设有必要的除水装置，如图2 1 所示。 1 0 华中农业人学硕上学位论文 2 2 沼气生物柴油发动机改装方案 采用电控多点喷射系统喷射沼气，保留原柴油机柴油喷射系统喷射生物柴油， 根据电控单元采集的发动机工作状态控制沼气喷射时间和喷射量，在压缩行程接近 终了时喷油器将引燃生物柴油喷入气缸，喷入的油束在高温高压的燃烧室内迅速蒸 发，与空气混合形成混合气并迅速白燃，随即引燃沼气可燃混合气，实现沼气生物 柴油双燃料在发动机内燃烧。 2 2 1 沼气供给系统 沼气从沼气池中发酵产生后，压力很低，而且含有一些对发动机有害的物质， 例如水气和硫化氢，因此必须通过去硫、吸水后的沼气才能进入发动机。供气系统 的基本原理是：沼气从沼气储气柜经压力表、吸水器分离汽水、脱硫器脱硫和过滤 器过滤杂，由管道送入发动机机房，经流量计测量沼气耗量，经沼气泵，再进入沼 气控制阀经气体喷射器进入进气道( 进气道起到混合器的作用) ，与空气混合后进入 发动机，如图2 - 1 所示。 图2 - 1 电控沼气供气喷射系统组成 f i g 2 - 1t h ee l e c t r o n i c a l l yc o n t r o l l e dm u l t i - p o i n tb i o g a sa p p l ys y s t e m 1 调节阀2 吸水器3 脱硫器4 阀5 阀6 空气滤清器7 沼气喷射器8 进气门9 气 门1 0 阀1 1 压力计 2 2 2 沼气多点喷射系统 沼气多点喷射系统是指在发动机每一个气缸进气门前方的进气歧管上均安装一 只喷射器的沼气喷射系统，发动机工作时，沼气适时喷入进气门附近的进气歧管， 空气与沼气在进气门附近形成可燃混合气，吸入气缸后，在进气和压缩行程混合继 续进行，各缸可以得到混合均匀的混合气，如图2 2 。沼气喷射控制采用电控单元 ( e c u ) 控制。电控单元以两片a t 8 9 s 5 2 单片机为核心，发动机有柴油和沼气生物 柴油双燃料工作方式，可根据实际情况来选择。在控制过程中，电控单元采集发动 机冷却水温度、曲轴位置、转速等信号，依据控制模型，输出控制信号控制沼气流 第2 章沼气的燃烧特性和供给形式 量，以获得与各工况相匹配的设计空燃比。电控单元依据输入指令，控制沼气喷射 器高速电磁阀通断时间，从而实现双燃料发动机速度变化的需要。 图2 2 多点喷射系统 f i g 2 - 2t h ee l e c t r o n i c a l l yc o n t r o l l e dm u l t i - p o i n ti n j e c t i o ns y s t e m 电控单元相当于一个翻译器，如图2 3 所示。通过采集曲轴转角信号将其转化 为沼气的喷射信号，控制喷射器开启时间进行沼气空气混合比的调节，保证混合气 的浓度在理论空燃比附近，使发动机具有良好的综合性能。另外，电控单元也采集 冷却水温和转速信号，监测发动机的热状态，当发动机过热时切断沼气供气，避免 发动机过热工作。 凸：军田但置佰亏招气畈嗝信号 l 电 冷却水温度 控 单 兀。 图2 3 沼气、生物柴油喷射系统原理图 f i g 2 3t h ei n j e c t i o ns y s t e mo fb i o g a sa n db i o - d i e s e l 2 2 3 各组成部分的选择与设计 1 进气管上的改装设计 发动机进气管上的改装，即在发动机两个进气歧管上各安装一个沼气喷射器， 使发动机由原来