生物質(zhì)燃氣發(fā)動(dòng)機的性能研究

第36卷第2期小型內燃機與摩托車(chē)Vol 36 No. 22007年4月SMALL INTERNAL COMBUSTION ENGINE AND MOTORCYCLEApr.2007·新能源·生物質(zhì)燃氣發(fā)動(dòng)機的性能研究閆桂煥楊文2許敏孫榮峰孫立1-山東省科學(xué)院能源研究所山東濟南2500142-山東理工大學(xué)研究生處)摘要∶本文從理論和試驗兩個(gè)角度對生物質(zhì)燃氣發(fā)動(dòng)機的性能進(jìn)行了研究通過(guò)對比發(fā)現,計算數據和試驗結果基本吻合從而驗證了利用 AVL BOOST軟件進(jìn)行低熱值、多組分生物質(zhì)燃氣發(fā)動(dòng)機熱力循環(huán)過(guò)程的模擬計算是完全可行的。通過(guò)試驗發(fā)現生物質(zhì)燃氣發(fā)動(dòng)機點(diǎn)火、啟動(dòng)容易運行穩定可靠。關(guān)鍵詞:生物質(zhì)燃氣發(fā)動(dòng)機 AVL BOOST軟件性能研究模擬計算中圖分類(lèi)號:K43文獻標識碼:A文章編號:671-06302007)2-0055-03Performance Research on Bio-gas EnginesYan Guihuan', Yang Wen", Xu Min, Sun Rongfeng, Sun Li1- Energy Research Institute of Shandong Academy of Sciences( Jinan 250014)2- Shandong University of TechnologyAbstract: This article researches the bio-gas engine performance based on calculation and experimentationIt's found that the calculation results are consistent with the experimental data by comparison and it provesthat its feasible to use the AVL BOOST software for simulation of the thermodynamic cycle of bio-gas enginewith low heat value and multi-component. Its also found that the engine can ignite and start easily and it mayrun steadilyKeywords: Bio-gas engine, AVL BOOST software, Performance research Simulation引言在缺氧狀態(tài)下發(fā)生熱分解反應生成揮發(fā)成分和焦炭隨著(zhù)礦物燃料的日益減少和環(huán)保意識的日益加揮發(fā)成分在高溫反應區內發(fā)生二次反應使焦油進(jìn)強作為可再生、幾乎無(wú)污染的生物質(zhì)資源其開(kāi)發(fā)和步裂解為氣體同時(shí)氣體和焦炭之間以及氣體和氣體利用越來(lái)越受到人們的重視。通過(guò)熱化學(xué)反應將生物之間進(jìn)一步發(fā)生還原反應轉變?yōu)楦嗟目扇細怏w。質(zhì)轉化為可燃氣體利用內燃機將其轉化為電能是其可燃氣體經(jīng)過(guò)凈化冷卻之后即可被發(fā)電設備使用。主要利用方式之一。因此隨之而來(lái)地生物質(zhì)燃氣發(fā)動(dòng)生物質(zhì)燃氣的成分基本為:CO:12~16%;H2機的研究也變得尤其重要。12~20%;CH4:2~5%;O20.6~1.2%;CO216~生物質(zhì)燃氣的制備及其主要特性24%;N2:45~60%。隨著(zhù)氣化設備和工藝過(guò)程的不生物質(zhì)燃氣的制備過(guò)程大致如下生物質(zhì)原料首同氣中國煤化工的成分決定了氣體的先被送入氣化爐內同時(shí)向爐內通入一定量的氧氣部性質(zhì)HCNMHG在4-6M/Nm23,屬于分原料氧化燃燒提供熱分解所需的熱量大部分原料低熱值燃料相當于沼氣熱值的15、天然氣熱值的1自然科學(xué)基金資助項目(Z2000F03)(1977-)女助研主要從事生物質(zhì)氣化發(fā)電方面的研究。小型內燃機與摩托車(chē)第36卷8左右其空燃比大約在1左右。與甲烷相比氳氣和3性能特性的理論計算氧化碳的著(zhù)火范圍寬、火焰傳播速度快因此生物制本文利用奧地利AVL公司開(kāi)發(fā)的 BOOST軟件對燃氣發(fā)動(dòng)機與天然氣機和沼氣機相比點(diǎn)火、啟動(dòng)更加該機熱力循環(huán)過(guò)程進(jìn)行了理論計算。 BOOST軟件既容易但易產(chǎn)生爆燃和回火現象?？梢詫Πl(fā)動(dòng)機穩態(tài)和瞬態(tài)性能進(jìn)行分析計算,也可以2生物質(zhì)燃氣發(fā)動(dòng)機的研制模擬發(fā)動(dòng)機的整個(gè)工作循環(huán)過(guò)程。目前該軟件主要應氣體發(fā)動(dòng)機可以由廠(chǎng)家自行研制也可以經(jīng)過(guò)柴用在柴油機、汽油機和高熱值、單組分氣體發(fā)動(dòng)杋(如油機改制而成。本文研究的發(fā)動(dòng)機是在柴油機基礎上天然氣、沼氣等)上,但是對于低熱值、多組分燃氣發(fā)改制得到的采用的主要技術(shù)措施為動(dòng)機還罕見(jiàn)使用。本文通過(guò)選定軟件中的某種原料1)改變發(fā)動(dòng)機的壓縮比:柴油杋采用壓燃的方改變該燃料的熱值和空燃比對該生物質(zhì)燃氣發(fā)動(dòng)機式其壓縮比較大;生物質(zhì)燃氣發(fā)動(dòng)機采用點(diǎn)燃的方進(jìn)行了理論計算。根據生物質(zhì)燃氣發(fā)動(dòng)機的結構和系式且氫氣易燃易爆其壓縮比較小,一般在9左右。統配置利用 AVL BOOST軟件建立了計算模型結合2)新配置進(jìn)氣系統法去除原有供油系統重新邊界條件對模型進(jìn)行了求解。所建模型如圖1所示。配置進(jìn)氣系統。在進(jìn)氣總管之前加裝混合器使其一端進(jìn)空氣,一端進(jìn)燃氣混合后的氣體分別進(jìn)入各缸進(jìn)氣支管。傳統的混合器多為機械式的這種方式相對來(lái)說(shuō)調節不太靈敏常常由于氣體濃度的變化而造成發(fā)動(dòng)機熄火爆燃或進(jìn)氣管放炮等現象。目前有的廠(chǎng)MP15X家混合器改為電控式的。電控混合器可根據氣體濃度的變化自適應調節發(fā)動(dòng)機的空燃比從而實(shí)現發(fā)動(dòng)機P68料pPm的經(jīng)濟穩定運行。3)厘重新調整配氣定時(shí):柴油機進(jìn)入的是空氣生物質(zhì)燃氣發(fā)動(dòng)機進(jìn)入的是混合氣由于燃料性質(zhì)的差SB3異必須重新設計凸輪軸優(yōu)化配氣相位。生物質(zhì)燃氣SB為系統邊界;C為空氣濾清器;1為混合氣控制閥;P為中由于氫氣的存在進(jìn)排氣門(mén)重疊角不應太大以免進(jìn)混合器;PL2為進(jìn)氣管道;PL3為排氣總管;C為氣缸;CAT為消聲器;1,2…為管段;MP為測點(diǎn)氣管中放炮,一般不超過(guò)30℃A圖1計算模型4)贈增設點(diǎn)火系統:于生物質(zhì)燃氣發(fā)動(dòng)機和柴油機燃燒方式的不同必須增設點(diǎn)火系統。將原柴油機氣體的工作過(guò)程大致為燃氣和空氣以恰當的比例噴油器的位置安裝火花塞。其中點(diǎn)火能量、點(diǎn)火提前進(jìn)入混合器CL中經(jīng)過(guò)閥門(mén)l控制負荷的大小混角的設計主要根據氣體的成分、熱值、燃點(diǎn)及火焰傳播合氣經(jīng)燃氣總管P2進(jìn)入各進(jìn)氣支管最終分別進(jìn)入速度等因素綜合確定。各氣缸C在恰當的時(shí)刻火花塞點(diǎn)火氣體燃燒膨脹做本文所研究的生物質(zhì)燃氣發(fā)動(dòng)機基本參數如表1功做功完的尾氣經(jīng)各排氣支管進(jìn)入排氣總管最后排所示出機體計算缸內燃燒過(guò)程時(shí)本文選用的放熱率函數為Vibe函數其具體表達式為表1生物質(zhì)燃氣發(fā)動(dòng)機的基本參數(m+1)y. e-o y(m+n)額定轉速/型號1000式中=Qy=9ˉφ表示每循環(huán)燃料燃燒放熱直列四沖程、額定功率型式電控點(diǎn)火IR. c YH中國煤化工;φ。表示燃燒持續缸數6起動(dòng)方式電啟動(dòng)CNMHGX表示Vbe參數(a缸徑火順序1-5-3-6-2-46.908活塞行程/mm225冷卻方式開(kāi)式水冷計算傳熱系數時(shí)本文選用 Woschni1978傳熱?？偱帕?L27.13燃料生物質(zhì)燃氣型其計算公式為第2期閆桂煥等:生物質(zhì)燃氣發(fā)動(dòng)機的性能研究57ax,=130D.. p. T-I C,Cm+C2 oP)8式中D表示氣缸直徑mmx表示氣體速度系數C1842通熱效率2.28+0.308·C/Cn;C2表示燃燒室形狀系數C2=0.00324C表示活塞平均速度,ms:C,表示進(jìn)氣渦流速度m/s表示發(fā)動(dòng)機起動(dòng)時(shí)缸內壓力MPaT表示進(jìn)氣門(mén)關(guān)閉時(shí)缸內溫度Kp表示進(jìn)氣門(mén)關(guān)閉時(shí)登8熱耗率200缸內壓力AMPa1020304050607080利用 AVL BOOST軟件通過(guò)改變燃氣的流量系功率kW數可以得出不同工況下發(fā)動(dòng)機的功率、扭矩、平均有圖2試驗結果與計算數據的對比曲線(xiàn)效壓力、效率、熱耗率等性能指標。根據本機的使用場(chǎng)到某一極限后,混和氣的質(zhì)量變差燃燒變成過(guò)濃燃合本文主要對該機組額定轉速下的負荷特性進(jìn)行了燒不完全燃燒損失增加熱耗率增加熱效率下降因模擬計算。此經(jīng)濟性降低。發(fā)動(dòng)機在70%至額定負荷運行時(shí)具4試驗研究有較好的經(jīng)濟性。為了驗證模型的正確性及參數選取的合理性本排溫隨著(zhù)負荷的增加而提高。排溫在480~文通過(guò)試驗對該機性能也作了類(lèi)似研究。試驗前將530℃之間說(shuō)明該發(fā)動(dòng)機后燃現象不嚴重。發(fā)電機組和氣化設備連接好將發(fā)動(dòng)機的點(diǎn)火提前角從圖2中可以看出,試驗過(guò)程的熱耗率略高于計氣門(mén)間隙等各處調整好。通過(guò)控制發(fā)動(dòng)機的進(jìn)氣流量算結果、熱效率略低于計算結果這是因為在模擬計算來(lái)測試發(fā)動(dòng)機的多項性能指標重點(diǎn)考察了其負荷特過(guò)程中難免有未考慮的因素而且有些因素假想為理性。試驗原料選用玉米芯。想狀態(tài)如氣體混合完全均勻、燃燒過(guò)程中空燃比不變試驗過(guò)程中數據采集使用自己開(kāi)發(fā)的組態(tài)王軟件,等。但是實(shí)驗結果和計算數據的誤差較小在允許范該軟件實(shí)時(shí)監測顯示發(fā)動(dòng)機各參數的變化趨勢可實(shí)圍內現數據存儲和查詢(xún)工作具有友好的人機交互界面。通過(guò)實(shí)驗結果和計算數據的對比不難發(fā)現利用通過(guò)試驗發(fā)現生物質(zhì)燃氣發(fā)動(dòng)機啟動(dòng)點(diǎn)火容易AVL BOOST軟件對生物質(zhì)氣體發(fā)動(dòng)機進(jìn)行模擬計算點(diǎn)火提前角略小于天然氣機和沼氣機。這是因為與甲是完全可行的因此可以利用該軟件對發(fā)動(dòng)機的某些烷相比生物質(zhì)燃氣中氫氣的著(zhù)火速度快點(diǎn)火范圍參數進(jìn)行優(yōu)化設計如分析壓縮比、點(diǎn)火提前角等因素寬。燃氣熱值在3300KJ/Nm3~5400KJ/Nm3范圍內,對發(fā)動(dòng)機性能的影響程度,從而給工程實(shí)踐提供一定機組可以穩定可靠地運行無(wú)回火和爆燃現象。的借鑒意義。5結果分析參考文獻為了便于比較本文將計箅和試驗兩種途徑下得I高緒偉李宗立辛強之.8300型生物質(zhì)氣體發(fā)動(dòng)機的開(kāi)到的負荷特性數據繪制成曲線(xiàn)的形式如圖2所示。發(fā)及初步試驗J]山東內燃機2002(5)72~75從圖2中可以看出,計算數據和試驗結果基本2V. BOOST Users Guidd[ z] V3.x2)1-29吻合誤差較小從而驗證了模型的正確性和參數選3林杰倫內燃機工作過(guò)程數值計算M]西安西安交通擇的合理性。隨著(zhù)負荷的增加熱效率提高熱耗率大學(xué)出版社1986降低但負荷增加到某一極限后隨著(zhù)負荷的增加,4魏名山郝利君等.48天然氣發(fā)動(dòng)杋的模擬計算J]內熱耗率迅速上升,熱效率下降經(jīng)濟性變差。這是因中國煤化工為發(fā)動(dòng)機啟動(dòng)需要克服自身的摩擦損失恿隨著(zhù)負荷的增大克服自身摩擦損失的耗氣量占總耗氣量的H物質(zhì)燃氣發(fā)動(dòng)機的開(kāi)發(fā)CNMHG淡能會(huì )議論文比例減小因此熱耗率降低效率提高但負荷增加收稿日期2006-02-14)