小型汽油机燃用沼气性能优化措施试验研究
小型汽油机燃用沼气性能优化措施试验研究
盘朝奉1
,谢美芝2
,韦超毅
1,2
,李 苗1,周孔亢
1
(1.江苏大学汽车与交通工程学院,江苏镇江 212013;2.广西大学,南宁 530004)
摘要:介绍沼气成分、燃烧特性,分析各组成成分对燃用沼气的汽油机性能的影响,讨论采用的净化技术,提出汽油机燃用沼气性能优化的技术措施。通过对改装的沼气发动机性能和原机对比试验研究,证明在提高压缩比,增大进气量,采用蓄电池点火装置及增大点火提前角等技术措施下,汽油机燃用沼气启动容易,动力性接近原机指标。
关键词:沼气发动机;压缩比;点火提前角;汽油机
中图分类号:TK411+.71;TK6 文献标识码:A 文章编号:1006-0006(2008)06-0080-03
Te s t o n P e rfo rm ance O p tim i za ti o n o f B u rn i ng B i o ga s
fo r Sm a ll Ga so li ne Eng i ne
PAN Chao 2feng 1
,X I E M ei 2zhi 2
,W E I Chao 2yi 1,2
,L I M iao 1
,ZHOU Kong 2kang
1
(1.School of Aut omotive and Traffic Engineering,J iangsu University,Zhenjiang 212013,China;
2.Guangxi University,Nanning 530004,China )
Ab s tra c t:The ele ments,burning features of bi ogas were briefly intr oduced,the influence of bi ogas ele ments on
perf or mance of gas oline engine burning bi ogas were analyzed,technol ogies of bi ogas purificati on were discussed,technical measures of perfor mance op ti m izati on on gas oline engine burning bi ogas were p r oposed .Thr ough the contrast test research of the perf or mance bet w een the retr ofitted bi ogas engine and the original one,it was concluded that with the higher comp ressi on rati o,greater intake airfl ow,using battery igniti on device and increasing the s park advance angle etc,the gas oline engine burning bi ogas can start easily,and the power indexes of the bi ogas engine are cl osed t o those of the original engine .
Key wo rd s:B i ogas engine;Comp ressi on rati o;Spark advance angle;Gas oline engine
随着经济和社会的发展,内燃机的广泛使用及汽车拥有量的增加,农村农产品加工不断发展,农用动力需求量愈来愈大,需要消耗大量的石油能源。在石油资源供应紧张,价格上涨的形势下,迫切需要开发可再生替代能源,以缓解能源短缺。
沼气是一种生物质能源,是可再生能源。沼气可从农业有机废物,人畜粪便,工业有机废水和废物,城镇地下水道污水、污泥的发酵处理以及城市垃圾堆埋的发酵获得,既充分利用了资源,治理和改善了环境,又开发了新能源。据统计,到1998年底,全国户用沼气池保有量688万户,年产沼气近2亿m 3
,大中型沼气工程748处,年产沼气超过1亿m 3
,处理废弃物1990万t,商品肥4万多t,商品饲料20多万t,沼气集中供气户7万多户。生活污水沼气池净化池49322处,年处理生活污水2亿多m 3
。沼气综合利用的农户达到300多万户。以沼气为纽带的北方生态模式已达21万户,南方生态模式已达
81万户
[1]
。在气温较高,发酵原料充足,沼气技术成熟的南方,显现
出极大的优越性。
如果能利用丰富的沼气作为内燃机的燃料,用在农业动力和发电领域,将在很大程度上缓解农村能源短缺和提高沼气综合利用水平。为此,笔者以沼气作为小型汽油机的燃料,进行性能试验,探讨沼气在汽油机上燃用的性能优化措施,为小型汽油机燃用沼气燃料用于农用动力领域开辟新空间。
1 沼气组成成分及其燃烧特性
1.1 沼气的组成
它的主要成分是甲烷CH 4,含量达55%～70%(体积比),其他
成分是二氧化碳CO 2(占25%～45%),N 2,H 2S (占0.1%)以及少量氢气和一氧化碳气体。
1.2 沼气的燃烧特性
1)热值低。低热值20～30MJ /m 3,随CH 4含量的多少不同而
改变。
2)着火温度高。达到645～850℃,这是由于沼气中的N 2和CO 2
的惰性作用。
3)火焰传播速度低。最大只有0.25m /s,是甲烷的1/3,是甲醇
的1/2,所以燃烧速度慢。
4)沼气与空气混合气的热值,随着过量空气系数的变化而变化,
当增大时,混合气的热值降低,且沼气与空气的混合气的热值比汽油与空气的混合气的热值低。
5)沼气中甲烷值高(130),辛烷值高(120),抗爆性强,可采用高
压缩比燃烧。
6)沼气与空气混合的空燃比为17.25∶1,比汽油与空气混合的
空燃比14.9∶1大,所以燃烧需要空气比汽油多。
7)汽油机用液体燃料,使用沼气燃料后,气缸容积效率低,只有
提高沼气进入密度,才能使容积效率增高。
1.3 沼气的净化
由上述可知沼气的成分含量影响沼气燃烧特性,对沼气在汽油机上燃用是不利的,因为它会使发动机的动力性、经济性能变差。沼气中甲烷含量愈高,N 2+CO 2的含量愈低,则沼气热值增加,着火温度降低,燃烧速度愈快,对沼气燃烧做功有利。反之,沼气中甲烷含
收稿日期:2007-11-09
第35卷第6期 拖拉机与农用运输车 Vol .35No .62008年12月 Tract or &Far m Trans porter Dec.,2008
量低,N 2+CO 2
的含量高,沼气的热值降低,着火温度升高,燃烧速度慢,且发动机充气系数降低,容积效率降低,则沼气在发动机上燃用效果差。因为N 2+CO 2的存在,阻滞烃类与空气的氧化反应,对燃烧有强烈的抑制作用,致使沼气的着火温度高,火焰传播速度慢。可见,先对沼气进行净化是很重要的。经过净化沼气中的不利成分被清除,主要是CO 2,因为它占沼气中1/3左右(甚至更多)。另外要脱除沼气中的硫化氢(H 2S ),它在沼气中含量虽然少,但是对发动机的影响大,燃烧后产生“S O 3”酸根,腐蚀发动机零部件特别是气缸盖、气缸、活塞环及轴瓦等,缩短发动机寿命。所以为提高沼气在汽油机上的燃用效果及长期可靠的燃用沼气,沼气在进入发动机之前必须经过净化———从沼气中脱除CO 2、H 2S 和水。
2 沼气在汽油机上燃用所采用的技术措施
沼气在发动机中燃用有多种方式,其一是燃烧纯沼气:采用电火花点火。其二是主要烧沼气:用柴油喷射雾化引燃,采用双燃料发动机。在汽油机上燃用沼气采用第一种方式,加上沼气供给系统。针对沼气的理化和燃烧特性,对现有汽油机燃用沼气采用下列技术措施。
2.1 沼气供给系统
沼气池产的沼气,先净化脱CO 2、H 2S 及水后在8～10kPa 的压力下向沼气-空气混合器供气,并加大原机进气管直径。以此来减少
CO 2含量,提高沼气中甲烷含量比例,从而提高沼气热值。脱除H 2S
则可以减少它对燃烧产物的腐蚀作用,发动机寿命不受损害。提高沼气充入压力,增大进气管直径,以提高充气效果,增加混合气充量,提高气缸容积效率,克服燃用沼气燃料时气缸容积效率下降的缺陷,及满足沼气燃料空燃比大的要求。试验中,脱CO 2用石灰水,把沼气通过石灰水箱后即可脱除。脱H 2S 用氧化铁(Fe 2O 3)脱硫剂脱硫,用自动排水集水器脱水。
2.2 汽油机燃用沼气采取的性能优化措施
针对汽油机燃用沼气时动力性、经济性差的现象,结合实现的难易程度来综合分析,采取了以下措施。
2.2.1 采用高压缩比
沼气着火温度高,而且含有惰性气体CO 2和N 2,一般情况下,由于压缩比低,压缩终了的温度和压力低,再加上CO 2和N 2对燃烧抑制作用,使得发动机不能正常燃烧。压缩比提高后,使压缩终了的温度和压力得到提高,有利于在燃烧室形成着火中心,保证沼气的正常着火燃烧。因此,提高压缩比可以使沼气发动机能够正常工作,提高发动机的动力性能和经济性能。
2.2.2 采用高能点火系统
在火花点燃式发动机中,点火系统的作用就是为火花塞提供高压脉冲,产生电火花,并在各种工况和使用条件下都能在适当时刻产生足够的火花能量以保证可靠而准确的点火。由于沼气的着火温度高,燃烧速度慢,因此要求以较强的放电火花点燃混合气;放电火花能量大,还可使形成稳定火核的时间缩短,并有利于传播。增大放电初期的放电电压与电流,可以明显地改进火花点火沼气发动机的性能[2]。
2.2.3 调整好合适的点火提前角
由前述,沼气的燃烧速度很低(0.23m /s ),致使后燃严重,排温过高,发动机热负荷大,影响发动机的动力性、经济性以及可靠性。因此除了采用以上措施,还需要对发动机的点火提前角进行调整。
由内燃机原理,在燃烧过程中混合气燃气的温度由初始温度上升至着火温度所需要的时间称之为着火延迟。不同的燃料,其着火延迟时间也不同。对于火花点火式发动机来说,着火延迟可通过控制点火提前角来弥补。
火花点火沼气发动机因其燃烧速度慢,燃烧不完全,后燃严重,可将点火提前角提前,使其燃烧时间加长,后燃减少,从而降低排气温度。但如果点火提前角过大,会使压缩过程中消耗的功增大,使经
济性下降,而且爆燃倾向增大。
严格来说,火花点火发动机在任一工况下都有一个最佳点火提前角。决定最佳点火提前角的主要因素是发动机的转速和可燃混合气的燃烧速率。当可燃混合气燃烧速率不变时,随发动机转速的上升,最佳点火提前角增大;反之,随发动机转速下降,最佳点火提前角减小。当发动机转速不变时,随可燃混合气燃烧速率的加快,最佳点火提前角减小;反之,随可燃混合气燃烧速率的减慢,最佳点火提前角增大。
火花点火沼气发动机可以在一个较宽的点火提前角范围内稳定运行,在实际应用中往往针对某一常用工况调整最佳点火提前角。
2.2.4 改变原机空燃比
由于汽油化学当量比(kg 空气/kg 燃料)为14.9∶1,沼气为
17.25∶1,因此燃烧沼气时需要较大的空燃比。2.3 试验样机及改装
沼气作为汽油机燃料的试验是在165F 汽油机上进行的,汽油机上的改装包括进气系统改装、压缩比的改变及点火提前角的调整。
实施方案:
1)压缩比。165F 汽油机是6∶1,可以对缸盖进行磨削,减小燃烧
室的容积从而增大压缩比。
2)采用蓄电池点火系统。165F 汽油机燃用沼气首先采用原机
装有的磁电机点火系统,发现启动困难。经过分析,发现是因为采用拉绳启动,初始转动速度慢,磁电机点火系统产生的点火电压低,火花塞火花很弱造成的。
蓄电池点火系统与原装磁电机点火系统相比,初级电压比较平稳,能够解决发动机启动时转速低,磁电机点火系统次级线圈电压低,产生火花弱,点火能量小,燃烧沼气时启动困难的问题,不但启动容易,而且低转速范围的发动机性能较优。因此采用蓄电池点火系统代替原装磁电机点火系统。
为了进一步改善点火的效果,还对火花塞间隙进行调整。我们分别调了四个间隙,并在发动机上进行燃烧沼气的试验,测得不同火花塞间隙下发动机的最高空载输出转速,结果如表1所示。
表1 不同火花塞间隙发动机最高空载转速
Ta b .1M a xi m um No 2l o ad Sp e e d unde r D i ffe re n t Gap s o f Sp a rk P l ug 火花塞间隙/mm 0.550.901.081.10转速/
(r ?m in -1)
1400
1550
1500
1450
由表所示,火花塞间隙为0.9mm 时发动机的空载输出转速最高,说明此时发动机混合气的燃烧效果是最好的。
3)点火提前角的调整。在小汽油机飞轮上打有上止点标志和点
火时刻记号标志,调整点火提前角时可在触点串联上干电池和小灯泡,顺着汽油机运转方向转动启动轮,当飞轮外缘上点火记号与曲轴箱隔板上的刻度对准时,断电器触点对应开始分开,此时小灯泡熄灭,点火提前角正确。松开断电器底板螺钉转动断电器底板,可以改变点火提前角,顺着凸轮转动方向转动,点火提前角减小,反之则增大。由于凸轮的转速是曲轴转速的二分之一,因此底板每转动1°,点火提前角相应改变2°。
4)加装沼气-空气混合器。沼气发动机混合器是装在空气滤清
器和进气管之间适当增大进气管直径,以增大空气进气量,满足沼气空燃比大的要求。另外,以8～10kPa 压力的沼气向混合器供气,以提高充气效率。
3 165F 汽油机外特性试验
试验装置的布置如图1所示。
在165F 汽油机上做了燃用汽油和燃用沼气对比试验,试验按照
G B1105-87《内燃机台架性能试验方法》进行,试验现场的环境状况:
大气压101.2kPa,温度T 为300K,空气湿度为73%。根据G B 1105
盘朝奉等:小型汽油机燃用沼气性能优化措施试验研究
图1 沼气发动机试验装置
F i g .1Exp e ri m e n ta lU n it o f B i o ga s Eng i ne
-87计算功率修正系数为1.0148,为获得准确的数据,在165F 汽油
机标定功率转速和最大转矩转速范围内,选定10个测量点进行。分别测取各个稳定转速下的转矩、功率、燃油消耗率,每个试验点各值均测量3次,取其算术平均值。试验中沼气的消耗量由于仪器设备有限无法测出,仅对比动力性能指标,试验对比中,原机和改装机的压缩比都是6∶1,点火提前角都是23°CA (曲轴转角),原机是磁电机有触点点火装置,燃用汽油;改装机采用蓄电池有触点点火装置,燃用沼气。火花塞的间隙经过试验调整为0.9mm 。测量数据整理结
果见表2,
制取曲线图2。
分别进行165F 汽油机原机燃用沼气和改装后燃用沼气的外特性试验。
表2 165F 汽油机外特性试验记录表
Tab.2Fu ll 2l o ad Exp e ri m e n t R e co rd o f 165F Ga so li ne Eng i ne
转速/
(r ?m in -1)转矩/(N ?m )原机改装有效功率/k W 原机改装60010.79.40.670.5970013.111.10.960.818001512.41.261.0490015.813.61.491.28100016.8514.41.731.51110016.814.31.931.65120016.614.12.091.77130015.913.72.171.86140015.212.82.231.88150013.811.42.161.79
图2 外特性比较
F i g.2Com p a riso n o f Fu llLo a d Sp e e d C ha ra c te risti c s
由图2可知,汽油机经过改装,把磁电机点火系统改为蓄电池点火系统,加装沼气-空气混合器后,能够较容易地启动,而且低速性能较好,运行平稳。但是,由于没有改变压缩比和点火提前角,改装后的发动机燃烧沼气时虽然能够正常运行,但是输出转矩和功率比改装前的发动机燃用汽油时明显降低,速度越大,转矩功率下降越明显。这是因为沼气的燃烧速度慢和着火温度高,而压缩比和点火提前角较小造成的。高速时,由于点火提前角较小,节气门开度有限,
进气阻力增大,沼气通过进气管进入气缸时会占去一部分空气进入气缸的体积,使空气的充量系数明显下降,导致燃烧过程中的过量空气系数不足,因此转矩功率下降更加明显。
由图所示,火花点火沼气发动机能够完全燃烧沼气,沼气替代汽油,虽然性能有所下降,只要采取一些改进措施就能提高发动机性能。
4 压缩比变化的性能试验
发动机性能优化措施试验介绍如下。首先增大压缩比。改变压缩比时,分别取6,7.7,9.4,点火提前角保持在23°CA,完全燃用沼
气。测量数据整理结果见表3,制取曲线图3。
表3 165F 沼气发动机不同压缩比外特性试验数据表
Ta b .3Fu ll 2l o a d Te st R e co rd unde r D i ffe re n t Com p re ssi o n R a ti o s
转速/
(r ?m in -1)
压缩比
67.79.4转矩/(N ?m )67.79.4
有效功率/k W
6009.412.115.80.590.760.9970011.113.416.80.810.981.2380012.414.717.41.041.231.4690013.615.617.71.281.471.67100014.416.117.71.511.691.85110014.316.117.31.651.851.99120014.115.8171.771.992.13130013.715.216.11.862.072.19140012.813.914.61.882.042.141500
11.4
12.1
12.8
1.79
1.90
2.01
图3 压缩比变化外特性比较
F i g.3Fu llLo a d Sp e e d C ha rac te risti c s unde r D i ffe ren t Com p re ssi o n R a ti o s
由图3可知,沼气发动机在提高压缩比后输出转矩和功率在各转速范围都有一定提高,特别是在中低速时转矩提高较明显。这说明采取提高压缩比的措施能够改善发动机的动力性能。由于燃烧室结构限制,在试验中最高压缩比可以提高到9.4,此时发动机的输出转矩和功率基本接近原机的水平。
5 点火提前角变化的性能试验
改变点火提前角时,分别取19°CA ,23°CA,27°CA,压缩比保持在6,完全燃用沼气。测量数据整理结果见表4,制取曲线图4。由图4可知,沼气发动机在增大点火提前角后输出转矩和功率在很
大的转速范围都有一定提高,特别是在中高速时转矩提高较明显。这说明采取增大点火提前角的措施也能够改善发动机的动力性能。在试验中点火提前角最高增大到27°C A,此时发动机的输出转矩和功率分别达到14.7N ?m 和1.93k W ,但是在低速时较原机有所下降。
6 结论
1)通过将汽油机原机的磁电机点火装置改成蓄电池点火装置,
加装沼气-空气混合器,加大进气管,沼气发动机燃烧纯沼气能够正
(下转第85页)
拖拉机与农用运输车 第6期2008年12月
图6 机体前5阶模态振型图
F i g.6Mo da l S hap e s o f F irst5S tep s
从表2和图6可以看出,机体的前五阶模态的固有频率计算值和试验值能够较好的吻合,最大误差保持在5%以内;各阶模态的固有频率所对应的模态振型也相同。这说明机体的试验模态和计算模态结果是一致的,达到了相互验证的效果。
3 结论
本文通过对某公司S NH4102Z柴油机机体分别进行了试验模态和计算模态的分析,并对两种分析得出的模态参数(固有频率、模态振型)进行了对比,结论如下:
1)本研究证明了采用Pr o/E三维建模———Hyper M esh划分有限元网格———ANSYS进行模态计算这样一套模态处理的方法对单个零件的计算结果能够与模态试验的结果很好的吻合。像柴油机机体这样复杂的零件,两者的误差仍能保持在5%以内,说明此模态计算的流程具有很高的计算精度,是一个可靠性很高的计算方法;
2)试验模态必须在制造出样机的前提下才能进行,而计算模态只要有产品的设计模型就可以进行分析。因此可以在设计初始阶段进行计算模态分析,不断修改设计方案,用试验模态对最终方案进行验证。这样可以大大降低设计成本和开发周期;
3)计算模态分析可以得到更多的信息,如动应力计算信息,可以弥补零件的静态应力计算的不足,为改进产品性能提供更全面的参考依据。
参考文献
[1] 郑忠才,曹跃芳,刘波,等.S D1105型柴油机机体结构试验模态分析及改
进[J].小型内燃机与摩托车,2006,35(6):12～15.
[2] 傅志方,华宏星.模态分析理论与应用[M].上海:上海交通大学出版社,
2000.
(编辑 刘红云)
(上接第82页)
表4 165F沼气发动机不同点火提前角外特性试验数据表
Ta b.4Fu ll2l o a d Exp e ri m e n t R e co rd unde r D i ffe re n t Sp a rk Advance Ang l e s
转速/ (r?m in-1)
点火提前角/(°)(曲轴转角)
192327
转矩/(N?m)
192327
有效功率/k W
6009.79.48.60.610.590.54 70010.911.111.30.80.810.83 80012.212.412.81.021.041.07 90013.413.613.91.261.281.31 100014.114.414.61.481.511.53 110014.014.314.71.
611.651.69 120013.714.114.41.721.771.81 130013.313.714.01.811.861.90 140012.412.813.21.821.881.93
150010.711.412.21.681.791.91
常启动,低转速范围动力性能较好,使装备磁电机点火装置的沼气发动机难启动问题可以解决,这说明采取的技术措施是可行的。
2)通过提高压缩比和增大点火提前角,发动机性能得到优化,接近原机燃用汽油的动力性能指标。在较大的转速范围,发动机的输出功率和转矩随压缩比和点火提前角的增大而提高。
图4 点火提前角变化外特性
F i g.4Fu llLoad Sp eed C ha rac te risti c s unde r D i ffe rent Sp a rk Advance Ang l e s
参考文献:
[1] 王锡吾.中国沼气技术发展与展望[J].农村能源,2000(6):17～20.
[2] 陈泽智,夏来庆,郑彪,等.高能点火放电方式对全烧式沼气发动机性能
的影响[J].太阳能学报,1997,18(1):110～112.
(编辑 云 清)
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