DOI:10.11990/jheu.201412028
, , , , 2. 大连理工大学 船舶制造国家工程研究中心, 辽宁 大连 116024;
3. 大连民族学院 机电信息工程学院, 辽宁 大连 116605
, , , , 2. National Engineering Research Center for Shipbuilding, Dalian University of Technology, Dalian 116024, China;
3. College of Electromechanical & Information Engineering, Dalian Nationalities University, Dalian 116605, China
作为内燃机替代能源之一，生物质燃气在近年来得到了内燃机研究学者的广泛重视[1]。生物质燃气是采用种植业、林业、畜牧业等产品的废弃物作为原材料，在一定温度条件下通过气化、裂解等技术制取而成的[2]。其原材料来源广泛，但分布较为分散，而且在其燃料组分中含有灰分及大量不可燃气态成分。这一特点造成生物质燃气热值较低，燃烧困难，因此并不适合用作车、船等运载工具发动机的能源。
我国生物质原材料主要分布于农村地区。因此，在农村地区使用生物质燃气便于燃料的就地取材及制取，具有较为广泛的应用前景。在日本、美国等国家，已经开展了生物质燃气在小型发电设备上的应用研究工作[3, 4, 5]。
生物质燃气中存在CO2、N2等不可燃气体成分，而且随着生物质原材料产地及生物质燃气制取条件的不同各组分的相对百分含量相差很大[2, 6]。生物质燃气中的不可燃气态组分含量较高[7, 8, 9]，这造成生物质燃气热值低、燃烧速度慢，容易导致部分燃烧甚至失火的发生，最终造成生物质燃气发动机循环变动大、工作稳定性差等问题。因此，研究组分变化对生物质发动机工作稳定性的影响，对生物质燃气发动机应用推广具有重要意义。
本文对一台广泛应用于小型发电设备的HONDA GX340火花点火发动机进行了改造，并采用与低温气化生物质燃气组分相同的混合气体燃料，进行了生物质燃气组分变化对发动机工作稳定性影响的试验研究。
1 试验装置及方案试验用发动机为单缸、水冷、压缩比为8.0的HONDA GX340火花点火发动机，以自主开发的燃气发动机电控系统为基础，改装为电控生物质燃气发动机，并通过电控系统实现对供气时刻、供气脉宽及点火时刻等参数的控制。
在进气道某处设置进气混合腔，CH4、CO、H2及CO2由安装于混合腔上的KEIHIN公司产气体燃料专用电磁阀喷入混合腔，各气体组分在混合腔中能够充分混合。试验中，气缸压力采用KISTLER公司的6125A型压力传感器测量，测得的数据由该公司生产的5011B型电荷放大器放大及转换。在进气门上游300 mm处加装了金属制消焰器，用来抑制在较高H2浓度时可能导致的回火。
试验所选取的HONDA GX340发动机保有量大，但压缩比较低。为了在实际发电机平台上尽可能少的进行硬件改装，在本研究中并没有提高发动机的压缩比，而是采用调整燃料组分的方式来实现优化发动机性能的目的。为此，需要对本文用到的燃料相对浓度进行定义。
本文中涉及到的燃料组分含量共有两个参数，分别是燃料混合比(CH4含量、H2含量、CO含量)及稀释率(CO2含量)。其中，燃料混合比为某一可燃组分在CH4-CO-H2混合物中的摩尔分数，CO2含量为CO2在CH4-CO-H2-CO2混合物中的摩尔分数。其定义式如下：
$$w\left( {{H_2}} \right) = \frac{{m\left( {{H_2}} \right)}}{{w\left( {C{H_4}} \right) + m\left( {{H_2}} \right) + m\left( {CO} \right)}} \times 100\% $$
(1)
$$w\left( {CO} \right) = \frac{{m\left( {CO} \right)}}{{m\left( {C{H_4}} \right) + m\left( {{H_2}} \right) + m\left( {CO} \right)}} \times 100\% $$
(2)
$$w\left( {C{H_4}} \right) = \frac{{m\left( {C{H_4}} \right)}}{{m\left( {C{H_4}} \right) + m\left( {{H_2}} \right) + m\left( {CO} \right)}} \times 100\% $$
(3)
$$w\left( {C{O_2}} \right) = \frac{{m\left( {C{O_2}} \right)}}{{m\left( {C{H_4}} \right) + m\left( {{H_2}} \right) + m\left( {CO} \right) + m\left( {C{O_2}} \right)}} \times 100\% $$
(4)
试验中，采用瓶装压缩气体模拟实际生物质燃气，通过改变燃料混合比及CO2含量来改善发动机的工作稳定性。试验中保持发动机转速1 500 r/min、最佳点火提前角(MBT)以及节气门全开(WOT)条件不变。试验系统图如图1所示。
|
| 图1 试验系统简图 Fig.1 Experimental schematic diagram |
实际生物质燃气中的CO2、N2等不可燃组分的体积含量变化较大。为了尽可能使试验条件与实际生物质燃气组分一致，研究中采用10%、30%、50%、70%的CO2浓度来模拟实际生物质燃气中的不可燃组分。试验的当量比条件保持Φ=0.6恒定。
2 试验结果与分析 2.1 组分变化对缸内压力的影响图2所示为不同组分条件下的缸压数据。
|
| 图2 不同组分条件下缸压曲线 Fig.2 In-cylinder Pressure under different component conditions |
图2(a)所示为CH4含量50%、H2含量33%、CO含量17%、CO2含量分别为10% ~ 70%的缸压曲线，图2(b)、(c)、(d)分别为CO2含量为30%条件下保持某一可燃组分含量不变而改变另外两种组分含量的缸压曲线。图3所示为燃料组分变化对热量输入的影响。
由图2(a)及图3可知，随着CO2含量的增加，热量输入减少，因此最高缸内压力随之降低。本实验中所有工况点均在MBT条件下进行，为了达到最大的扭矩，随着CO2含量的增加MBT逐渐提前，因此最高缸压对应的曲轴转角逐渐向上止点移动。如图2(b)~(d)所示，当H2含量上升、CH4含量或CO含量下降时，最高缸压有所下降，并且最高缸压点对应的曲轴转角远离上止点。这是由于与CH4及CO相比，H2较低的体积低热值与较快的燃烧速度导致的。而当H2含量保持不变、CH4含量及CO含量此消彼长时，最高缸压的大小及其对应的曲轴转角并没有明显的变化，这印证了CH4与CO相当的体积低热值及燃烧速度。
|
| 图3 燃料组分对热量输入的影响 Fig.3 Effect of fuel components on input heat |
图4~5所示为快速燃烧期和火焰发展期在不同气体组分、CO2含量条件下的变化情况。本文定义累积放热率0~10%对应的曲轴转角为火焰发展期，累积放热率10%~90%对应的曲轴转角为快速燃烧期。在所有燃料组分条件下，火焰发展期及快速燃烧期均随CO2含量的增加而延长，但变化幅度不同。如图4所示，分别为保持CO含量、H2含量及CH4含量不变，而改变另外两种燃料体积分数的情况。在CO2含量保持不变的前提下，当H2含量一定时快速燃烧期随CO含量及CH4含量的变化并不明显；而当CH4含量或CO含量一定时，快速燃烧期随H2含量的增加而明显缩短。三种可燃组分相比，H2的燃烧速度远高于CH4及CO，CH4及CO的燃烧差异较小，因此快速燃烧期随H2含量的增加而有较明显的缩短，而CH4含量及CO含量的变化对快速燃烧期没有明显影响。快速燃烧期随CO2含量增加略微延长，但延长幅度不大。当燃烧进入快速燃烧阶段时，缸内湍流对火焰传播速度及燃烧进程起主要作用[11]。因此如图4所示,CO2含量的增加对快速燃烧期的影响并不明显。
|
| 图4 不同组分条件下快速燃烧期变化情况 Fig.4 Main combustion duration under different component conditions |
燃料组分变化对火焰发展期的影响则十分显著。如图5所示，H2含量的增加导致了在相同CO2含量条件下火焰发展期的缩短；随CO2含量增加，各燃料条件对应的火焰发展期均显著上升，而且当CO2含量从50%增加到70%时火焰发展期均急速增长。
|
| 图5 不同组分条件下火焰发展期变化情况 Fig.5 Initial combustion duration under different component conditions |
火焰发展期及快速燃烧期的变化趋势对比表明，本试验所涉及的生物质燃气组分中的H2含量及CO2含量对燃烧持续期的影响作用显著。CO2含量直接影响着火过程，使燃烧初期的火焰核心形成延迟，但一旦形成稳定火焰核心之后，组分对燃烧过程的影响作用不再占据主要地位。
2.3 组分变化对燃烧稳定性的影响图5中火焰发展期的大幅增加说明此时燃烧的恶化。对比其他CO2含量条件的情况，CO2含量为70%条件下火焰发展期的增加幅度尤为明显，这说明此时燃烧发生了变化。
由于能够体现内燃机燃烧过程循环变动的整体反应，COVIMEP被众多学者作为评价燃烧循环变动的主要参数[10, 11, 12]。在本文中也使用COVIMEP作为生物质燃气发动机循环变动特征的评价指标。其中，COVIMEP定义为平均有效压力(indicated mean effective pressure,IMEP)的循环变动系数:
$$CO{V_{IMEP}} = \frac{{{\sigma _{_{IMEP}}}}}{{{{\bar p}_1}}}$$
(5)
图6所示为CO2含量及燃料组分变化对COVIMEP的影响。
|
| 图6 CO2含量及燃料组分变化对COVIMEP的影响 Fig.6 Influence of CO2 content and fuel components on COVIMEP |
如图6所示，当CO2含量小于50%时，在各组分条件下COVIMEP均处于1%~3%范围内，此时发动机运转较为稳定。当CO2含量为70%时，所有燃料条件的COVIMEP均有明显上升，当CO2含量为70%时在一些工况(CH4含量66%、H2含量17%、CO含量17%；CH4含量50%、H2含量17%、CO含量33%；CH4含量33%、H2含量17%、CO含量50%)甚至超过了10%，而且H2含量最小(H2含量为17%)时的COVIMEP明显高于其他工况。对比图4可知，CO2含量过高导致早期火焰形成发展缓慢、火焰发展期长、燃烧速率较低，造成部分燃烧甚至失火，因此循环变动较强。CH4与CO的燃烧速度差异并不明显。因此如图6的中图所示，当H2含量一定、CH4含量与CO含量此消彼长时，COVIMEP并不随着某一组分浓度的变化而单调变化。
图7为各不同燃料组分条件下135个循环的IMEP散点分布图。从图中可以看出，当CO2含量较小时，所有组分条件下的IMEP散点均在某一固定值附近的很小范围内波动，说明此时燃烧较稳定，因此IMEP的波动范围很小。随着CO2含量的升高，所有燃料条件下IMEP散点分布区间均有所扩大，而H2含量对IMEP散点分布情况有明显的影响。
|
| 图7 不同燃料组分条件下的IMEP散点图 Fig.7 IMEP scatter diagram under different fuel components |
在图7(a)和(c)中，随着H2含量的增加，IMEP散点分布区间明显减小。当H2含量达到50%时，IMEP散点分布已十分稳定，此时CO2含量对散点分布范围的影响已不显著。在图7(b)中，H2含量保持在17%的较低水平，CH4含量及CO含量此消彼长，此时IMEP散点分布范围与燃料混合比的影响不大，CO2含量对其影响其主要作用。在不同燃料条件下IMEP散点的分布范围差异是由于CH4、H2及CO的燃烧速度差异造成的。H2的燃烧速度远高于CH4及CO，H2含量较高时对应的初燃期火焰传播较快，燃烧稳定，循环变动小，因此图7(a)及(c)的IMEP散点分布趋于集中。而CH4与CO的燃烧速度差异不大，这导致图7(b)中IMEP散点分布范围与燃料混合比的相关性不明显，主要受CO2含量的影响。
3 结论在一台火花点火发动机上进行了生物质燃气发动机循环变动试验研究，结论如下：
1)燃料组分对燃烧稳定性的影响作用显著，当燃料组分中H2含量较少时，随着CO2含量的增加燃烧趋于不稳定，在个别条件下导致部分燃烧；
2)随着H2含量的增加，CO2含量对燃烧的影响作用逐渐减弱，当H2含量达到50%时CO2含量对燃烧的影响作用已不明显；
3)当量比固定时，在保持H2含量不变的条件下CH4及CO含量的变化对混合燃料的燃烧并没有明显影响。
| [1] | BELLABY P. Uncertainties and risks in transitions to sustainable energy, and the part ‘trust’ might play in managing them: a comparison with the current pension crisis [J]. Energy policy, 2010, 38(6): 2624-2630. |
| [2] | XIAO Xiaobin, LE D D, MORISHITA K, et al. Multi-stage biomass gasification in internally circulating fluidized-bed gasifier (ICFG): test operation of animal-waste-derived biomass and parametric investigation at low temperature [J]. Fuel processing technology, 2010, 91(8): 895-902. |
| [3] | SHUDO T, NAKAJIMA Y, TSUGA K. Combustion characteristics of H2-CO-CO2 mixture in an IC engine [C]//SAE Paper, 2001-01-0252. SAE, 2001. |
| [4] | MOHAMMED S E, BAHAROM M B, AZIZ A R A, et al. The effects of fuel-injection timing at medium injection pressure on the engine characteristics and emissions of a CNG-DI engine fueled by a small amount of hydrogen in CNG [J]. International journal of hydrogen energy, 2011, 36(18): 11997-12006. |
| [5] | PARK C, KIM C, CHOI Y. Power output characteristics of hydrogen-natural gas blend fuel engine at different compression ratios [J]. International journal of hydrogen energy, 2012, 37(10): 8681-8687. |
| [6] | CHEN Lei, SHIINA R, ARAKI N, et al. Effect of CO2 dilution on the combustion characteristics of a spark-ignition engine fuelled with individual component of Bio-gas [J]. Transactions of the japan society of mechanical engineers B, 2010, 76(770): 1629-1636. |
| [7] | BORA B J, SAHA U K, CHATTERJEE S, et al. Effect of compression ratio on performance, combustion and emission characteristics of a dual fuel diesel engine run on raw biogas [J]. Energy conversion and management, 2014, 87: 1000-1009. |
| [8] | LI Yingjian, QIU Qi, HE Xiangzhu, et al. Energy balance and efficiency analysis for power generation in internal combustion engine sets using biogas [J]. Sustainable energy technologies and assessments, 2014, 6: 25-33. |
| [9] | ARROYO J, MORENO F, MUÑOZ M, et al. Combustion behavior of a spark ignition engine fueled with synthetic gases derived from biogas [J]. Fuel, 2014, 117: 50-58. |
| [10] | 许健, 张欣, 刘建华, 等. 发动机燃用天然气掺二氧化碳混合燃料的循环变动试验研究[J]. 内燃机工程, 2011, 32(3): 12-16, 22. XU Jian, ZHANG Xin, LIU Jianhua, et al. Experimental study on cycle-to-cycle variation of NG/CO2 blend engine [J]. Chinese internal combustion engine engineering, 2011, 32(3): 12-16, 22. |
| [11] | 汪硕峰, 纪常伟, 闫皓, 等. 混氢体积分数对汽油机性能影响的试验研究[J]. 内燃机工程, 2011, 32(1): 43-48. WANG Shuofeng, JI Changwei, YAN Hao, et al. Experimental study on effect of hydrogen addition fraction on performance of SI gasoline engine [J]. Chinese internal combustion engine engineering, 2011, 32(1): 43-48. |
| [12] | 孙柏刚, 张冬生, 刘福水. 氢内燃机循环变动特性[J]. 燃烧科学与技术, 2013, 19(4): 311-316. SUN Baigang, ZHANG Dongsheng, LIU Fushui. Cycle variations in a hydrogen internal combustion engine [J]. Journal of combustion science and technology, 2013, 19(4): 311-316. |