第36卷第2期小型內(nèi)燃機(jī)與摩托車Vol 36 No. 22007年4月SMALL INTERNAL COMBUSTION ENGINE AND MOTORCYCLEApr.2007·新能源·生物質(zhì)燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)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(jì)南2500142-山東理工大學(xué)研究生處)摘要∶本文從理論和試驗(yàn)兩個(gè)角度對(duì)生物質(zhì)燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)的性能進(jìn)行了研究通過對(duì)比發(fā)現(xiàn),計(jì)算數(shù)據(jù)和試驗(yàn)結(jié)果基本吻合從而驗(yàn)證了利用 AVL BOOST軟件進(jìn)行低熱值、多組分生物質(zhì)燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)熱力循環(huán)過程的模擬計(jì)算是完全可行的。通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)生物質(zhì)燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火、啟動(dòng)容易運(yùn)行穩(wěn)定可靠。關(guān)鍵詞:生物質(zhì)燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī) AVL BOOST軟件性能研究模擬計(jì)算中圖分類號(hào):K43文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):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(yīng)生成揮發(fā)成分和焦炭隨著礦物燃料的日益減少和環(huán)保意識(shí)的日益加揮發(fā)成分在高溫反應(yīng)區(qū)內(nèi)發(fā)生二次反應(yīng)使焦油進(jìn)強(qiáng)作為可再生、幾乎無污染的生物質(zhì)資源其開發(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越受到人們的重視。通過熱化學(xué)反應(yīng)將生物之間進(jìn)一步發(fā)生還原反應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)楦嗟目扇細(xì)怏w。質(zhì)轉(zhuǎn)化為可燃?xì)怏w利用內(nèi)燃機(jī)將其轉(zhuǎn)化為電能是其可燃?xì)怏w經(jīng)過凈化冷卻之后即可被發(fā)電設(shè)備使用。主要利用方式之一。因此隨之而來地生物質(zhì)燃?xì)獍l(fā)動(dòng)生物質(zhì)燃?xì)獾某煞只緸?CO:12~16%;H2機(jī)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?xì)獾闹苽浼捌渲饕匦?4%;N2:45~60%。隨著氣化設(shè)備和工藝過程的不生物質(zhì)燃?xì)獾闹苽溥^程大致如下生物質(zhì)原料首同氣中國(guó)煤化工的成分決定了氣體的先被送入氣化爐內(nèi)同時(shí)向爐內(nèi)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(dāng)于沼氣熱值的15、天然氣熱值的1自然科學(xué)基金資助項(xiàng)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(nèi)燃機(jī)與摩托車第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(jì)算氧化碳的著火范圍寬、火焰?zhèn)鞑ニ俣瓤煲虼松镏票疚睦脢W地利AVL公司開發(fā)的 BOOST軟件對(duì)燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)與天然氣機(jī)和沼氣機(jī)相比點(diǎn)火、啟動(dòng)更加該機(jī)熱力循環(huán)過程進(jìn)行了理論計(jì)算。 BOOST軟件既容易但易產(chǎn)生爆燃和回火現(xiàn)象?？梢詫?duì)發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)性能進(jìn)行分析計(jì)算,也可以2生物質(zhì)燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)的研制模擬發(fā)動(dòng)機(jī)的整個(gè)工作循環(huán)過程。目前該軟件主要應(yīng)氣體發(fā)動(dòng)機(jī)可以由廠家自行研制也可以經(jīng)過柴用在柴油機(jī)、汽油機(jī)和高熱值、單組分氣體發(fā)動(dòng)?xùn)i(如油機(jī)改制而成。本文研究的發(fā)動(dòng)機(jī)是在柴油機(jī)基礎(chǔ)上天然氣、沼氣等)上,但是對(duì)于低熱值、多組分燃?xì)獍l(fā)改制得到的采用的主要技術(shù)措施為動(dòng)機(jī)還罕見使用。本文通過選定軟件中的某種原料1)改變發(fā)動(dòng)機(jī)的壓縮比:柴油杋采用壓燃的方改變?cè)撊剂系臒嶂岛涂杖急葘?duì)該生物質(zhì)燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)式其壓縮比較大;生物質(zhì)燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)采用點(diǎn)燃的方進(jìn)行了理論計(jì)算。根據(jù)生物質(zhì)燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)和系式且氫氣易燃易爆其壓縮比較小,一般在9左右。統(tǒng)配置利用 AVL BOOST軟件建立了計(jì)算模型結(jié)合2)新配置進(jìn)氣系統(tǒng)法去除原有供油系統(tǒng)重新邊界條件對(duì)模型進(jìn)行了求解。所建模型如圖1所示。配置進(jìn)氣系統(tǒng)。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?xì)饣旌虾蟮臍怏w分別進(jìn)入各缸進(jìn)氣支管。傳統(tǒng)的混合器多為機(jī)械式的這種方式相對(duì)來說調(diào)節(jié)不太靈敏常常由于氣體濃度的變化而造成發(fā)動(dòng)機(jī)熄火爆燃或進(jìn)氣管放炮等現(xiàn)象。目前有的廠MP15X家混合器改為電控式的。電控混合器可根據(jù)氣體濃度的變化自適應(yīng)調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)的空燃比從而實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)P68料pPm的經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定運(yùn)行。3)厘重新調(diào)整配氣定時(shí):柴油機(jī)進(jìn)入的是空氣生物質(zhì)燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)入的是混合氣由于燃料性質(zhì)的差SB3異必須重新設(shè)計(jì)凸輪軸優(yōu)化配氣相位。生物質(zhì)燃?xì)釹B為系統(tǒng)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)排氣門重疊角不應(yīng)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(cè)點(diǎn)氣管中放炮,一般不超過30℃A圖1計(jì)算模型4)贈(zèng)增設(shè)點(diǎn)火系統(tǒng):于生物質(zhì)燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)和柴油機(jī)燃燒方式的不同必須增設(shè)點(diǎn)火系統(tǒng)。將原柴油機(jī)氣體的工作過程大致為燃?xì)夂涂諝庖郧‘?dāng)?shù)谋壤龂娪推鞯奈恢冒惭b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)過閥門l控制負(fù)荷的大小混角的設(shè)計(jì)主要根據(jù)氣體的成分、熱值、燃點(diǎn)及火焰?zhèn)鞑ズ蠚饨?jīng)燃?xì)饪偣躊2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(dāng)?shù)臅r(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?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)基本參數(shù)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(jī)體計(jì)算缸內(nèi)燃燒過程時(shí)本文選用的放熱率函數(shù)為Vibe函數(shù)其具體表達(dá)式為表1生物質(zhì)燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)的基本參數(shù)(m+1)y. e-o y(m+n)額定轉(zhuǎn)速/型號(hào)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(guó)煤化工;φ。表示燃燒持續(xù)缸數(shù)6起動(dòng)方式電啟動(dòng)CNMHGX表示Vbe參數(shù)(a缸徑火順序1-5-3-6-2-46.908活塞行程/mm225冷卻方式開式水冷計(jì)算傳熱系數(shù)時(shí)本文選用 Woschni1978傳熱?？偱帕?L27.13燃料生物質(zhì)燃?xì)庑推溆?jì)算公式為第2期閆桂煥等:生物質(zhì)燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)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(shù)C1842通熱效率2.28+0.308·C/Cn;C2表示燃燒室形狀系數(shù)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(jī)起動(dòng)時(shí)缸內(nèi)壓力MPaT表示進(jìn)氣門關(guān)閉時(shí)缸內(nèi)溫度Kp表示進(jìn)氣門關(guān)閉時(shí)登8熱耗率200缸內(nèi)壓力AMPa1020304050607080利用 AVL BOOST軟件通過改變?nèi)細(xì)獾牧髁肯倒β蔾W數(shù)可以得出不同工況下發(fā)動(dòng)機(jī)的功率、扭矩、平均有圖2試驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算數(shù)據(jù)的對(duì)比曲線效壓力、效率、熱耗率等性能指標(biāo)。根據(jù)本機(jī)的使用場(chǎng)到某一極限后,混和氣的質(zhì)量變差燃燒變成過濃燃合本文主要對(duì)該機(jī)組額定轉(zhuǎn)速下的負(fù)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(jì)算。此經(jīng)濟(jì)性降低。發(fā)動(dòng)機(jī)在70%至額定負(fù)荷運(yùn)行時(shí)具4試驗(yàn)研究有較好的經(jīng)濟(jì)性。為了驗(yàn)證模型的正確性及參數(shù)選取的合理性本排溫隨著負(fù)荷的增加而提高。排溫在480~文通過試驗(yàn)對(duì)該機(jī)性能也作了類似研究。試驗(yàn)前將530℃之間說明該發(fā)動(dòng)機(jī)后燃現(xiàn)象不嚴(yán)重。發(fā)電機(jī)組和氣化設(shè)備連接好將發(fā)動(dòng)機(jī)的點(diǎn)火提前角從圖2中可以看出,試驗(yàn)過程的熱耗率略高于計(jì)氣門間隙等各處調(diào)整好。通過控制發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)氣流量算結(jié)果、熱效率略低于計(jì)算結(jié)果這是因?yàn)樵谀M計(jì)算來測(cè)試發(fā)動(dòng)機(jī)的多項(xiàng)性能指標(biāo)重點(diǎn)考察了其負(fù)荷特過程中難免有未考慮的因素而且有些因素假想為理性。試驗(yàn)原料選用玉米芯。想狀態(tài)如氣體混合完全均勻、燃燒過程中空燃比不變?cè)囼?yàn)過程中數(shù)據(jù)采集使用自己開發(fā)的組態(tài)王軟件,等。但是實(shí)驗(yàn)結(jié)果和計(jì)算數(shù)據(jù)的誤差較小在允許范該軟件實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)顯示發(fā)動(dòng)機(jī)各參數(shù)的變化趨勢(shì)可實(shí)圍內(nèi)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和查詢工作具有友好的人機(jī)交互界面。通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果和計(jì)算數(shù)據(jù)的對(duì)比不難發(fā)現(xiàn)利用通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)生物質(zhì)燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)點(diǎn)火容易AVL BOOST軟件對(duì)生物質(zhì)氣體發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行模擬計(jì)算點(diǎn)火提前角略小于天然氣機(jī)和沼氣機(jī)。這是因?yàn)榕c甲是完全可行的因此可以利用該軟件對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的某些烷相比生物質(zhì)燃?xì)庵袣錃獾闹鹚俣瓤禳c(diǎn)火范圍參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)如分析壓縮比、點(diǎn)火提前角等因素寬。燃?xì)鉄嶂翟?300KJ/Nm3~5400KJ/Nm3范圍內(nèi),對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的影響程度,從而給工程實(shí)踐提供一定機(jī)組可以穩(wěn)定可靠地運(yùn)行無回火和爆燃現(xiàn)象。的借鑒意義。5結(jié)果分析參考文獻(xiàn)為了便于比較本文將計(jì)箅和試驗(yàn)兩種途徑下得I高緒偉李宗立辛強(qiáng)之.8300型生物質(zhì)氣體發(fā)動(dòng)機(jī)的開到的負(fù)荷特性數(shù)據(jù)繪制成曲線的形式如圖2所示。發(fā)及初步試驗(yàn)J]山東內(nèi)燃機(jī)2002(5)72~75從圖2中可以看出,計(jì)算數(shù)據(jù)和試驗(yàn)結(jié)果基本2V. BOOST Users Guidd[ z] V3.x2)1-29吻合誤差較小從而驗(yàn)證了模型的正確性和參數(shù)選3林杰倫內(nèi)燃機(jī)工作過程數(shù)值計(jì)算M]西安西安交通擇的合理性。隨著負(fù)荷的增加熱效率提高熱耗率大學(xué)出版社1986降低但負(fù)荷增加到某一極限后隨著負(fù)荷的增加,4魏名山郝利君等.48天然氣發(fā)動(dòng)?xùn)i的模擬計(jì)算J]內(nèi)熱耗率迅速上升,熱效率下降經(jīng)濟(jì)性變差。這是因中國(guó)煤化工為發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)需要克服自身的摩擦損失恿隨著負(fù)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?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)的開發(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(fù)荷增加收稿日期2006-02-14)