生物质燃气发动机的性能研究

第36卷第2期小型内燃机与摩托车Vol 36 No. 22007年4月SMALL INTERNAL COMBUSTION ENGINE AND MOTORCYCLEApr.2007·新能源·生物质燃气发动机的性能研究闫桂焕杨文2许敏孙荣峰孙立1-山东省科学院能源研究所山东济南2500142-山东理工大学研究生处)摘要∶本文从理论和试验两个角度对生物质燃气发动机的性能进行了研究通过对比发现,计算数据和试验结果基本吻合从而验证了利用 AVL BOOST软件进行低热值、多组分生物质燃气发动机热力循环过程的模拟计算是完全可行的。通过试验发现生物质燃气发动机点火、启动容易运行稳定可靠。关键词:生物质燃气发动机 AVL BOOST软件性能研究模拟计算中图分类号:K43文献标识码:A文章编号: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引言在缺氧状态下发生热分解反应生成挥发成分和焦炭随着矿物燃料的日益减少和环保意识的日益加挥发成分在高温反应区内发生二次反应使焦油进强作为可再生、几乎无污染的生物质资源其开发和步裂解为气体同时气体和焦炭之间以及气体和气体利用越来越受到人们的重视。通过热化学反应将生物之间进一步发生还原反应转变为更多的可燃气体。质转化为可燃气体利用内燃机将其转化为电能是其可燃气体经过净化冷却之后即可被发电设备使用。主要利用方式之一。因此随之而来地生物质燃气发动生物质燃气的成分基本为:CO:12~16%;H2机的研究也变得尤其重要。12~20%;CH4:2~5%;O20.6~1.2%;CO216~生物质燃气的制备及其主要特性24%;N2:45~60%。随着气化设备和工艺过程的不生物质燃气的制备过程大致如下生物质原料首同气中国煤化工的成分决定了气体的先被送入气化炉内同时向炉内通入一定量的氧气部性质HCNMHG在4-6M/Nm23,属于分原料氧化燃烧提供热分解所需的热量大部分原料低热值燃料相当于沼气热值的15、天然气热值的1自然科学基金资助项目(Z2000F03)(1977-)女助研主要从事生物质气化发电方面的研究。小型內燃机与摩托车第36卷8左右其空燃比大约在1左右。与甲烷相比氳气和3性能特性的理论计算氧化碳的着火范围宽、火焰传播速度快因此生物制本文利用奥地利AVL公司开发的 BOOST软件对燃气发动机与天然气机和沼气机相比点火、启动更加该机热力循环过程进行了理论计算。 BOOST软件既容易但易产生爆燃和回火现象。可以对发动机稳态和瞬态性能进行分析计算,也可以2生物质燃气发动机的研制模拟发动机的整个工作循环过程。目前该软件主要应气体发动机可以由厂家自行研制也可以经过柴用在柴油机、汽油机和高热值、单组分气体发动杋(如油机改制而成。本文研究的发动机是在柴油机基础上天然气、沼气等)上,但是对于低热值、多组分燃气发改制得到的采用的主要技术措施为动机还罕见使用。本文通过选定软件中的某种原料1)改变发动机的压缩比:柴油杋采用压燃的方改变该燃料的热值和空燃比对该生物质燃气发动机式其压缩比较大;生物质燃气发动机采用点燃的方进行了理论计算。根据生物质燃气发动机的结构和系式且氢气易燃易爆其压缩比较小,一般在9左右。统配置利用 AVL BOOST软件建立了计算模型结合2)新配置进气系统法去除原有供油系统重新边界条件对模型进行了求解。所建模型如图1所示。配置进气系统。在进气总管之前加装混合器使其一端进空气,一端进燃气混合后的气体分别进入各缸进气支管。传统的混合器多为机械式的这种方式相对来说调节不太灵敏常常由于气体浓度的变化而造成发动机熄火爆燃或进气管放炮等现象。目前有的厂MP15X家混合器改为电控式的。电控混合器可根据气体浓度的变化自适应调节发动机的空燃比从而实现发动机P68料pPm的经济稳定运行。3)厘重新调整配气定时:柴油机进入的是空气生物质燃气发动机进入的是混合气由于燃料性质的差SB3异必须重新设计凸轮轴优化配气相位。生物质燃气SB为系统边界;C为空气滤清器;1为混合气控制阀;P为中由于氢气的存在进排气门重叠角不应太大以免进混合器;PL2为进气管道;PL3为排气总管;C为气缸;CAT为消声器;1,2…为管段;MP为测点气管中放炮,一般不超过30℃A图1计算模型4)贈增设点火系统:于生物质燃气发动机和柴油机燃烧方式的不同必须增设点火系统。将原柴油机气体的工作过程大致为燃气和空气以恰当的比例喷油器的位置安装火花塞。其中点火能量、点火提前进入混合器CL中经过阀门l控制负荷的大小混角的设计主要根据气体的成分、热值、燃点及火焰传播合气经燃气总管P2进入各进气支管最终分别进入速度等因素综合确定。各气缸C在恰当的时刻火花塞点火气体燃烧膨胀做本文所研究的生物质燃气发动机基本参数如表1功做功完的尾气经各排气支管进入排气总管最后排所示出机体计算缸内燃烧过程时本文选用的放热率函数为Vibe函数其具体表达式为表1生物质燃气发动机的基本参数(m+1)y. e-o y(m+n)额定转速/型号1000式中=Qy=9ˉφ表示每循环燃料燃烧放热直列四冲程、额定功率型式电控点火IR. c YH中国煤化工;φ。表示燃烧持续缸数6起动方式电启动CNMHGX表示Vbe参数(a缸径火顺序1-5-3-6-2-46.908活塞行程/mm225冷却方式开式水冷计算传热系数时本文选用 Woschni1978传热模总排量/L27.13燃料生物质燃气型其计算公式为第2期闫桂焕等:生物质燃气发动机的性能研究57ax,=130D.. p. T-I C,Cm+C2 oP)8式中D表示气缸直径mmx表示气体速度系数C1842通热效率2.28+0.308·C/Cn;C2表示燃烧室形状系数C2=0.00324C表示活塞平均速度,ms:C,表示进气涡流速度m/s表示发动机起动时缸内压力MPaT表示进气门关闭时缸内温度Kp表示进气门关闭时登8热耗率200缸内压力AMPa1020304050607080利用 AVL BOOST软件通过改变燃气的流量系功率kW数可以得出不同工况下发动机的功率、扭矩、平均有图2试验结果与计算数据的对比曲线效压力、效率、热耗率等性能指标。根据本机的使用场到某一极限后,混和气的质量变差燃烧变成过浓燃合本文主要对该机组额定转速下的负荷特性进行了烧不完全燃烧损失增加热耗率增加热效率下降因模拟计算。此经济性降低。发动机在70%至额定负荷运行时具4试验研究有较好的经济性。为了验证模型的正确性及参数选取的合理性本排温随着负荷的增加而提高。排温在480~文通过试验对该机性能也作了类似研究。试验前将530℃之间说明该发动机后燃现象不严重。发电机组和气化设备连接好将发动机的点火提前角从图2中可以看出,试验过程的热耗率略高于计气门间隙等各处调整好。通过控制发动机的进气流量算结果、热效率略低于计算结果这是因为在模拟计算来测试发动机的多项性能指标重点考察了其负荷特过程中难免有未考虑的因素而且有些因素假想为理性。试验原料选用玉米芯。想状态如气体混合完全均匀、燃烧过程中空燃比不变试验过程中数据采集使用自己开发的组态王软件,等。但是实验结果和计算数据的误差较小在允许范该软件实时监测显示发动机各参数的变化趋势可实围内现数据存储和查询工作具有友好的人机交互界面。通过实验结果和计算数据的对比不难发现利用通过试验发现生物质燃气发动机启动点火容易AVL BOOST软件对生物质气体发动机进行模拟计算点火提前角略小于天然气机和沼气机。这是因为与甲是完全可行的因此可以利用该软件对发动机的某些烷相比生物质燃气中氢气的着火速度快点火范围参数进行优化设计如分析压缩比、点火提前角等因素宽。燃气热值在3300KJ/Nm3~5400KJ/Nm3范围内,对发动机性能的影响程度,从而给工程实践提供一定机组可以稳定可靠地运行无回火和爆燃现象。的借鉴意义。5结果分析参考文献为了便于比较本文将计箅和试验两种途径下得I高绪伟李宗立辛强之.8300型生物质气体发动机的开到的负荷特性数据绘制成曲线的形式如图2所示。发及初步试验J]山东内燃机2002(5)72~75从图2中可以看出,计算数据和试验结果基本2V. BOOST Users Guidd[ z] V3.x2)1-29吻合误差较小从而验证了模型的正确性和参数选3林杰伦内燃机工作过程数值计算M]西安西安交通择的合理性。随着负荷的增加热效率提高热耗率大学出版社1986降低但负荷增加到某一极限后随着负荷的增加,4魏名山郝利君等.48天然气发动杋的模拟计算J]内热耗率迅速上升,热效率下降经济性变差。这是因中国煤化工为发动机启动需要克服自身的摩擦损失恿随着负荷的增大克服自身摩擦损失的耗气量占总耗气量的H物质燃气发动机的开发CNMHG淡能会议论文比例减小因此热耗率降低效率提高但负荷增加收稿日期2006-02-14)