發(fā)電用沼氣/汽油雙燃料電控發(fā)動(dòng)機(jī)性能研究

蔣 晶，金 明，韋志康

(1.廣西職業(yè)技術(shù)學(xué)院，南寧 530226;2.三一重工股份有限公司(湖南長(zhǎng)沙)，長(zhǎng)沙 410100；3.廣西大學(xué)，南寧 530004 )

0 引言

隨著世界石油資源的日趨減少，各國(guó)科學(xué)家和研究者都在探索替代石油的新型能源，而沼氣是眾多能源中公認(rèn)的可再生清潔較理想的能源之一。據(jù)相關(guān)研究，到2020年，中國(guó)沼氣產(chǎn)量可達(dá)270億m3，相當(dāng)于3 000萬(wàn)t原煤的數(shù)量[1]。而沼氣發(fā)電是沼氣最主要的用途之一，對(duì)開(kāi)發(fā)可再生能源的意義十分重大。因此，將農(nóng)村常用小型汽油機(jī)改進(jìn)成沼氣雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行發(fā)電。研究沼氣汽油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的性能，以充分利用沼氣資源對(duì)于緩解石油能源緊張的壓力及環(huán)保等方面有著重要的實(shí)用價(jià)值。

目前，國(guó)外對(duì)沼氣發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用技術(shù)較成熟，德國(guó)已根據(jù)功率大小、需求不同采用雙燃料機(jī)組和純沼氣機(jī)組進(jìn)行發(fā)電應(yīng)用，英國(guó)已將沼氣發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用于“Bio-Bug”的甲殼蟲(chóng)轎車上。國(guó)外進(jìn)行了沼氣在不同壓縮比的雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)性能研究[2]，對(duì)沼氣柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)在噴油正時(shí)和壓縮比方面進(jìn)行了優(yōu)化研究[3]。國(guó)內(nèi)對(duì)柴油沼氣雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的研究開(kāi)發(fā)較多，如甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)在ZS1115 單缸柴油機(jī)的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，研究了沼氣柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)性能[4]。北京交通大學(xué)在改進(jìn)后的單缸柴油機(jī)上進(jìn)行了模擬摻燒氫的試驗(yàn)，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的相關(guān)性能進(jìn)行了對(duì)比研究[5]。富陽(yáng)的李民等對(duì)常規(guī)柴油發(fā)電機(jī)組改裝和調(diào)試后的沼氣-柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性及效益性方面進(jìn)行了分析研究[6]。相對(duì)而言，我國(guó)對(duì)小型汽油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)應(yīng)用研究較少。在我國(guó)，通用小型汽油機(jī)產(chǎn)量較高，且傳統(tǒng)的以化油器式的小型汽油機(jī)還比較廣泛，特別是在一些農(nóng)村地區(qū)，它們的主要用途用于發(fā)電。此類發(fā)動(dòng)機(jī)排放惡劣，為減少對(duì)大氣污染而又能較好地利用此類發(fā)動(dòng)機(jī)，非常有必要對(duì)它進(jìn)行研發(fā)改進(jìn)。國(guó)內(nèi)近幾年已有對(duì)小型汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的性能改進(jìn)進(jìn)行了相關(guān)研究，如江蘇大學(xué)王健等對(duì)168F發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)改進(jìn)，通過(guò)改變點(diǎn)火提前角等參數(shù)改善了原發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性能指標(biāo)[7-8]。江蘇大學(xué)劉勝吉對(duì)自主研發(fā)的168F電控燃油發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了性能研究分析[9]。這些對(duì)小型汽油機(jī)改進(jìn)成電控發(fā)動(dòng)機(jī)后的性能或改進(jìn)后的汽油沼氣非電控發(fā)動(dòng)機(jī)性能進(jìn)行了研究分析，但缺少對(duì)小型汽油發(fā)動(dòng)機(jī)改進(jìn)成汽油沼氣雙燃料電控發(fā)動(dòng)機(jī)性能方面的研究。

由于沼氣的特性，純沼氣發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)性能欠佳，如能利用汽油進(jìn)行引燃，或與汽油混合燃料，則啟動(dòng)性能更能突出。如果能充分利用電控發(fā)動(dòng)機(jī)的控制優(yōu)勢(shì)，對(duì)汽油沼氣雙燃料電控發(fā)動(dòng)機(jī)性能研究，在環(huán)保節(jié)能的發(fā)電產(chǎn)業(yè)促進(jìn)方面有著重要的應(yīng)用研究?jī)r(jià)值。為此，在對(duì)現(xiàn)有電控技術(shù)的研究基礎(chǔ)上，改進(jìn)原有168F汽油機(jī)進(jìn)行改造成沼氣汽油雙燃油電控發(fā)動(dòng)機(jī)，并對(duì)其綜合性能進(jìn)行了試驗(yàn)測(cè)試評(píng)比。

1 試驗(yàn)裝置及研究方法

本試驗(yàn)是在168F汽油機(jī)的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)的，試驗(yàn)用樣機(jī)168F發(fā)動(dòng)機(jī)的相關(guān)參數(shù)如表1所示。

表1 168F汽油機(jī)主要參數(shù)

對(duì)168F發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣系統(tǒng)燃料供給系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，加裝噴油器和噴氣器等部件；利用自行研制的ECU裝置對(duì)噴氣和噴油進(jìn)行控制；通過(guò)改變沼氣的摻燒比率，測(cè)試樣機(jī)的功率、燃油耗率及尾氣排放數(shù)據(jù)，研究發(fā)動(dòng)機(jī)的性能狀況。試驗(yàn)用QF-12直流電力測(cè)功機(jī)進(jìn)行功率測(cè)試，在測(cè)試之前可作啟動(dòng)機(jī)用，把發(fā)動(dòng)機(jī)手拉啟動(dòng)變成電動(dòng)啟動(dòng)。試驗(yàn)裝置示意圖如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)裝置示意圖

2 試驗(yàn)及結(jié)果分析

建立汽油/沼氣最佳摻燒比的數(shù)據(jù)庫(kù)后，利用AT89S52單片機(jī)對(duì)由168F汽油發(fā)動(dòng)機(jī)改裝成的汽油/沼氣雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)在不同工況下的最佳摻燒比進(jìn)行控制。在相同工況條件下，利用自行設(shè)計(jì)的進(jìn)氣道噴射控制系統(tǒng)，以改裝成的電控發(fā)動(dòng)機(jī)為試驗(yàn)裝置，分別用燃用汽油和沼氣/汽油雙燃料進(jìn)行外特性試驗(yàn)及部分速度特性試驗(yàn)；最后，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的前后綜合性能進(jìn)行對(duì)比分析。試驗(yàn)測(cè)試部分?jǐn)?shù)據(jù)如表2所示。其中，能耗率就是發(fā)出每千瓦時(shí)的功所需要的熱能值；發(fā)動(dòng)機(jī)外特性即節(jié)氣門(mén)開(kāi)度開(kāi)至100%位置時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性能、經(jīng)濟(jì)性能指標(biāo)在額定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)隨轉(zhuǎn)速n而變化的規(guī)律特性。

表2 沼氣/汽油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)外特性試驗(yàn)對(duì)比數(shù)據(jù)

2.1 動(dòng)力性能能比較分析

據(jù)相關(guān)研究資料，轉(zhuǎn)矩儲(chǔ)備系數(shù)和適應(yīng)性系數(shù)是評(píng)價(jià)發(fā)動(dòng)機(jī)適應(yīng)外界阻力矩變化能力的參數(shù)指標(biāo)[10]?？筛鶕?jù)發(fā)動(dòng)機(jī)外特性曲線的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。

2.1.1 發(fā)動(dòng)機(jī)扭矩儲(chǔ)備系數(shù)

發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩儲(chǔ)備率的計(jì)算公式為

首先，有關(guān)部門(mén)應(yīng)當(dāng)對(duì)消費(fèi)領(lǐng)域的一些“標(biāo)準(zhǔn)”“概念”進(jìn)行明確統(tǒng)一的界定。比如兒童票到底按什么標(biāo)準(zhǔn)出售？不同行業(yè)是否有必要進(jìn)一步細(xì)分？類似需要完善的細(xì)節(jié)有很多：飯店“加收服務(wù)費(fèi)”的告知該寫(xiě)在什么地方、字號(hào)多大？服裝退貨時(shí)“包裝須完整”涵蓋哪些要素？等等。市場(chǎng)管理者多一些“較真”，不僅可以減少“解釋權(quán)在商家”導(dǎo)致的消費(fèi)糾紛，也能培養(yǎng)消費(fèi)者的守規(guī)矩意識(shí)，提高買賣雙方默契程度，理順消費(fèi)流程，提升消費(fèi)體驗(yàn)。

(1)

式中Memax—標(biāo)定工況速度特性的最大扭矩(N·m)；

Me—標(biāo)定功率時(shí)的扭矩(N·m)。

根據(jù)外特性試驗(yàn)性能測(cè)試數(shù)據(jù)及計(jì)算公式可求出168F發(fā)動(dòng)機(jī)改造前后的轉(zhuǎn)矩儲(chǔ)備系數(shù)。原汽油機(jī)的扭矩儲(chǔ)備系數(shù)為

沼氣/汽油雙燃料電控發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩儲(chǔ)備系數(shù)為

以上計(jì)算數(shù)據(jù)表明：沼氣/汽油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的扭矩儲(chǔ)備系數(shù)比原機(jī)大0.6%，說(shuō)明改裝后的雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)具備了足夠的承載能力。

2.1.2 發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩適應(yīng)性系數(shù)

發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩適應(yīng)系數(shù)為

(2)

根據(jù)外特性試驗(yàn)性能曲線數(shù)據(jù)可求出轉(zhuǎn)矩適應(yīng)性系數(shù)，則原機(jī)轉(zhuǎn)矩適應(yīng)性系數(shù)為

沼氣/汽油雙燃料電控發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩適應(yīng)性系數(shù)為

由此分析比較可見(jiàn)：沼氣/汽油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩適應(yīng)性系數(shù)比原機(jī)稍大，也就是說(shuō)改造后的沼氣/汽油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)輸出能滿足實(shí)際的需要。

2.1.3 輸出功率比較分析

在不同負(fù)荷工況下，對(duì)改進(jìn)后的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行功率測(cè)試，并與原機(jī)進(jìn)行比較。根據(jù)試驗(yàn)測(cè)得指示功率，繪制相應(yīng)的輸出功率曲線圖如圖2所示。

由圖2可知：在中等負(fù)荷及以上時(shí)，輸出功率都隨轉(zhuǎn)速的上升而呈現(xiàn)線性變化趨勢(shì)，而在小負(fù)荷時(shí)先隨著轉(zhuǎn)速增加后隨著轉(zhuǎn)速下降；在全負(fù)荷近2 800r/min時(shí)，雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)與原機(jī)輸出功率相當(dāng)；在75%負(fù)荷時(shí)，在轉(zhuǎn)速為1 600r/min時(shí)與原機(jī)輸出功率最接近；在25%小負(fù)荷時(shí)，與原機(jī)相比，雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)功率下降非常明顯，特別是在1 800r/min以上，最大時(shí)約下降13.2%，主要是因?yàn)榭諝夤┙o不足，燃料不能完全燃燒?？梢?jiàn)，中小負(fù)荷時(shí)純汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率要比雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的大，即中小負(fù)荷時(shí)沼氣/汽油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的功率比原機(jī)要有所下降；而在全負(fù)荷中等轉(zhuǎn)速時(shí)功率輸出非常接近原機(jī)，在大負(fù)荷中低轉(zhuǎn)速時(shí)輸出功率與原機(jī)的幾乎一樣。

圖2 不同負(fù)荷時(shí)的輸出功率

2.2 發(fā)動(dòng)機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性能分析比較

根據(jù)試驗(yàn)測(cè)得的燃油消耗率數(shù)據(jù)及相應(yīng)的當(dāng)量燃油消耗的計(jì)算公式，計(jì)算出相應(yīng)的燃油消耗率及能耗率并繪制相應(yīng)的曲線圖如圖3和圖4所示。

圖3 不同負(fù)荷時(shí)的燃油耗率

由圖3可知：雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油消耗率在大負(fù)荷、全負(fù)荷時(shí)要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于原機(jī)，最大省油近9.4%；在中等負(fù)荷時(shí)也低于原機(jī)，因這些工況下可摻入沼氣燃料從而達(dá)到省油的效果；在小負(fù)荷低轉(zhuǎn)速時(shí)與原機(jī)的燃油消耗幾乎是一樣的，因?yàn)樵谛∝?fù)荷低轉(zhuǎn)速時(shí)，若摻入沼氣由于進(jìn)氣量的不足等原因而容易導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)失火，因而此時(shí)不能摻或摻入的量很少。

圖4 不同負(fù)荷時(shí)的能耗率

由圖4可知：在全負(fù)荷和大負(fù)荷工況下，能耗率隨著轉(zhuǎn)速的上升面下降，在一定轉(zhuǎn)速后又隨著轉(zhuǎn)速的上升而增加；在中等負(fù)荷時(shí)，雙燃料的能耗率隨轉(zhuǎn)速改變變化的不明顯，而原機(jī)整體上隨轉(zhuǎn)速變化呈現(xiàn)上升趨勢(shì)變化；在小負(fù)荷時(shí)能耗率都隨著轉(zhuǎn)速的變化而呈現(xiàn)上升變化趨勢(shì)。可見(jiàn)，改進(jìn)后的雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)在大負(fù)荷、小負(fù)荷等不同工況下的能耗率都要比原機(jī)高，在中等負(fù)荷中高速時(shí)的能耗比與原機(jī)非常接近，這主要是因?yàn)殡p燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率有所下降等原因。

2.3 發(fā)動(dòng)機(jī)排放性能分析比較

對(duì)不同工況下所測(cè)得的排氣溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，繪制相應(yīng)曲線如圖5所示。

圖5 不同燃料排氣溫度曲線的比較

由圖5可以看出：沼氣/汽油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)在高負(fù)荷及低負(fù)荷時(shí)的排氣溫度要高于純汽油機(jī)，在中等負(fù)荷時(shí)也基本高于原機(jī)，在中等負(fù)荷高速時(shí)排氣溫度要比純汽油的低；而在全負(fù)荷中速時(shí)低于原機(jī)，在全負(fù)荷高速時(shí)其排氣溫度高于原機(jī)近100℃。這說(shuō)明雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)在高負(fù)荷時(shí)，燃料應(yīng)能充分地燃燒可放出大量的熱能。

用尾氣分析儀測(cè)試發(fā)動(dòng)機(jī)的排放性能，在穩(wěn)定發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為2 800r/min,對(duì)不同負(fù)荷下的排放物含量測(cè)試，根據(jù)測(cè)得的數(shù)據(jù)繪制排放特性圖如圖6所示。

圖6 不同負(fù)荷時(shí)的排放物比較

由圖6可知：沼氣/汽油雙燃料時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)排放的HC、CO及NOX化合物都有所下降，改進(jìn)后的純汽油工作模式時(shí)與雙燃料時(shí)的排放性能很接近，而HC排放在全負(fù)荷時(shí)的下降不太明顯。其中，HC和CO在中小負(fù)荷時(shí)比原機(jī)下降得較多，而當(dāng)?shù)酱筘?fù)荷時(shí)也有所下降；NOX在中等負(fù)荷時(shí)下降很大。這與在中小負(fù)荷時(shí)的設(shè)置的以經(jīng)濟(jì)性和排放性為主要控制目標(biāo)有關(guān)。在大負(fù)荷時(shí)，3種排放都下降得比較小，主要是因?yàn)樵诖筘?fù)荷時(shí)，噴的燃料較多，形成的混合氣較濃，而導(dǎo)致一些燃料不完全燃燒的結(jié)果。

3 結(jié)論

1)雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)，輸出功率略有下降，其動(dòng)力性能非常接近于原機(jī)。168F型汽油機(jī)改造成的沼氣/汽油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩適應(yīng)性系數(shù)比原機(jī)大0.6%，轉(zhuǎn)矩適應(yīng)性系數(shù)比原機(jī)稍大，有足夠的承載能力。在自行設(shè)計(jì)的電控單元控制下，在全負(fù)荷近2 800r/min時(shí)雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)與原機(jī)輸出功率相當(dāng)；在小負(fù)荷時(shí)，在1 800r/min以上，輸出功率最大時(shí)約下降13.2%，其他工況下輸出功率接近原機(jī)。

2)沼氣/汽油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)在高負(fù)荷及低負(fù)荷時(shí)的排氣溫度要高于純汽油機(jī)，在中等負(fù)荷時(shí)也基本高于原機(jī)，燃料燃燒較完全；而在全負(fù)荷中速時(shí)低于原機(jī)，在全負(fù)荷高速時(shí)其排氣溫度高于原機(jī)近100℃。

3)雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油消耗率在大負(fù)荷、全負(fù)荷時(shí)要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于原機(jī)，最大省油近9.4%，在中等負(fù)荷時(shí)也低于原機(jī)。即整體上，當(dāng)量燃油消耗率下降，能耗率上升，即經(jīng)濟(jì)性能明顯提高，能達(dá)到節(jié)能效果。

4)沼氣/汽油雙燃料時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)排氣溫度基本上高于純汽油機(jī)，其排放的HC、CO及NOX化合物都有所下降，HC和CO在中小負(fù)荷時(shí)比原機(jī)下降得較多，NOX在中等負(fù)荷時(shí)下降很大，環(huán)保方面明顯改善。

參考文獻(xiàn)：

[1] 湯建華.加快沼氣開(kāi)發(fā)、發(fā)展沼氣工程[C]//沼氣產(chǎn)業(yè)化發(fā)展研討會(huì),2011.

[2] Bhaskor J Bora，Ujjwal K Saha.Experimental evaluation of a rice bran biodiesel-biogas run dual fuel diesel engine at varying compression ratios[J].Renewable Energy, 2016，87(1):782-790.

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

[4] 李麗麗,趙武云.高原地區(qū)小型沼氣_柴油雙燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)[J].農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程，2015(4)：1-5.

[5] 準(zhǔn)慶，張欣.模擬沼氣發(fā)動(dòng)機(jī)摻氫燃燒的試驗(yàn)研究[J].內(nèi)燃機(jī)學(xué)報(bào)，2010(1)：47-52.

[6] 李民，章雪強(qiáng).小型沼氣—柴油雙燃料發(fā)電技術(shù)探討[J].可再生能源，2006(4)：84-86.

[7] 王建,劉勝吉.進(jìn)氣道優(yōu)化改善168F汽油機(jī)性能的研究[J].小型內(nèi)燃機(jī)與摩托車,2008(12):12-14.

[8] 王建,劉勝吉.小型通用汽油機(jī)排放的研究[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2009(6)：131-135.

[9] 劉勝吉，韓維維.電控168F汽油機(jī)燃燒與排放特性分析[J].車用發(fā)動(dòng)機(jī),2016(2):58-62.

[10] Martyr A，Plint M.Engine Testing Theory and practice[M].London：Butterworth and Heinemann，2007．