沼氣發(fā)動機(jī)文獻(xiàn)

1、增壓沼氣發(fā)動機(jī)燃料供給系統(tǒng)的研究文獻(xiàn)綜述摘要：本文主要介紹了沼氣發(fā)動機(jī)的改裝、應(yīng)用及其增壓技術(shù)和燃料供給系統(tǒng)的發(fā)展和研究現(xiàn)狀，以及氣體發(fā)動機(jī)空燃比控制策略。關(guān)鍵詞：沼氣發(fā)動機(jī)；燃料供給系統(tǒng)；增壓；電控混合器；空燃比； 1 選題背景及意義1.1 選題背景1.1.1 能源與環(huán)境問題眾所周知，能源問題已成為一個世界性的問題。自20世紀(jì)70年代能源危機(jī)以來，人們更加清醒地認(rèn)識到世界能源的嚴(yán)峻形勢。因此，各個國家都在不斷的探尋研究新能源。新能源又稱非常規(guī)能源。是指傳統(tǒng)能源（如煤炭、石油、天然氣、水能、木材等）之外的各種能源形式。指剛開始開發(fā)利用或正在積極研究、有待推廣的能源，如太陽能、地?zé)崮堋L(fēng)能、海洋

2、能、生物質(zhì)能和核聚變能等。伴隨能源問題的出現(xiàn)，環(huán)境問題也日趨嚴(yán)重。其中全球變暖尤為突出。環(huán)境問題不再是某個國家的問題，而是整個世界面臨的嚴(yán)重問題。近100多年來，全球平均氣溫經(jīng)歷了冷暖冷暖兩次波動，總得看為上升趨勢。進(jìn)入八十年代后，全球氣溫明顯上升。1981-1990年全球平均氣溫比100年前上升了0.48。導(dǎo)致全球變暖的主要原因是人類在近一個世紀(jì)以來大量使用礦物燃料（如煤、石油等），排放出大量的CO2等多種溫室氣體。由于這些溫室氣體對來自太陽輻射的短波具有高度的透過性，而對地球反射出來的長波輻射具有高度的吸收性，也就是常說的溫室效應(yīng)，導(dǎo)致全球氣候變暖。全球變暖的后果，會使全球降水量重新分配，

3、冰川和凍土消融，海平面上升等，既危害自然生態(tài)系統(tǒng)的平衡，更威脅人類的食物供應(yīng)和居住環(huán)境。因此，人們在探尋開發(fā)新能源的同時還要將環(huán)境問題考慮進(jìn)去，而且還要將此作為一個重要標(biāo)準(zhǔn)，即要探尋開發(fā)清潔能源。汽車及發(fā)動機(jī)已成為現(xiàn)代文明社會重要標(biāo)志的，由于傳統(tǒng)的發(fā)動機(jī)主要以化石燃料為主并且排放的尾氣中含有大量的有害氣體，因此汽車及發(fā)動機(jī)的發(fā)展正承受著來自上述兩方面的巨大挑戰(zhàn)。據(jù)統(tǒng)計2010年我國汽車保有量為7000萬輛，低于日本的7500萬輛汽車保有量，相當(dāng)于美國2.85億輛汽車保有量的四分之一。由此可見我國汽車發(fā)展的空間非常大。汽車保有量的不斷攀升，雖然給人類帶來經(jīng)濟(jì)的繁榮，但同時也給城市帶來了大氣污染和

4、汽車能源的壓力。專家學(xué)者指出實現(xiàn)本世紀(jì)汽車及發(fā)動機(jī)工業(yè)健康發(fā)展的根本出路是降低其有害污染物排放，減少對石油的過度依賴。因此探索開發(fā)替代石油基燃料的新型潔凈燃料，開發(fā)高效低污染發(fā)動機(jī)是當(dāng)前世界各國關(guān)注的重大問題。1.1.2 沼氣發(fā)動機(jī)的發(fā)展目前世界上采用的能源大多是化石燃料，專家認(rèn)為在21世紀(jì)初，會有一半的化石燃料被耗盡，世界石油資源短缺和生態(tài)環(huán)境惡化是21世紀(jì)人類面臨的主要問題。合理利用資源及開發(fā)清潔燃料將是人類今后的不懈追求，這使得氣體機(jī) 的發(fā)展越來越受到重視，氣體機(jī)競爭也越來越激烈。目前氣體發(fā)動機(jī)的分類如表1.1所示1。在國外，由于近年來廣闊的市場需求，各發(fā)動機(jī)制造企業(yè)為了滿足市場的需求，

5、爭相開發(fā)性能優(yōu)越的氣體機(jī)。比如美國的Caterpilar公司、Fairbanks Morse公司、Cooper公司、Conoco公司、Cummius公司，英國的Ruston公司、Varity Perkins公司，日本的NKK Yanmar公司，奧地利的Jenbaher公司，德國的MAN B&W公司等6。隨著世界各國對新能源不斷深入的研究，目前已經(jīng)出現(xiàn)多種替代燃料，如甲醇、乙醇、石油液化氣（LNG）、壓縮天然氣（CNG）、二甲醚（DME）、氫氣、生物柴油、煤層氣和沼氣等等。盡管替代燃料的種類繁多，但能夠真正被廣泛應(yīng)用的卻很少，主要是因為替代燃料在發(fā)動機(jī)動力性和經(jīng)濟(jì)型上的表現(xiàn)不足?，F(xiàn)在應(yīng)用

6、比較多的是石油液化氣和壓縮天然氣，在我國大中城市的部分公交車使用石油液化氣，部分出租車則使用壓縮天然氣。另外，乙醇按一定的比例加入汽油中作為汽車的燃料。盡管很多替代燃料目前沒有得到廣泛的應(yīng)用，但是他們的發(fā)展前景卻非常廣闊。例如沼氣，它是一種混合可燃?xì)怏w，其主要成分是甲烷，其余為二氧化碳、氧氣、氮氣和硫化氫等。沼氣具有資源廣泛、廢物利用、價格便宜、燃燒完全、排放清潔等特點。因此沼氣發(fā)動機(jī)也慢慢的進(jìn)入人們的視野。沼氣發(fā)動機(jī)分為雙燃料和全燒式兩種2，雙燃料式沼氣發(fā)動機(jī)的工作原理是通過向燃燒室內(nèi)噴入少量柴油，經(jīng)壓燃后引燃沼氣燃燒做功。結(jié)構(gòu)上只需對柴油機(jī)的進(jìn)氣管和調(diào)速機(jī)構(gòu)做些變動，改裝簡單，；全燒式沼氣

7、發(fā)動機(jī)則由火花塞跳火點燃沼氣和空氣的混合氣，無需柴油引燃。兩種沼氣發(fā)動機(jī)的結(jié)構(gòu)如圖1，2所示3。雙燃料式沼氣發(fā)動機(jī)在沼氣資源不是很充裕的地方具有良好的靈活性，當(dāng)沼氣量減少時，以柴油為主，不影響發(fā)動機(jī)的運行。在沼氣資源豐富的地區(qū)，全燒式沼氣發(fā)動機(jī)會有更好的優(yōu)越性。目前沼氣發(fā)動機(jī)主要用作固定動力源，例如用作發(fā)電機(jī)組和動力與供熱復(fù)合裝置系統(tǒng)等。圖33是沼氣發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)布置圖。圖1：沼氣-柴油雙燃料式發(fā)動機(jī)示意圖 圖2：火花點火全燒式沼氣發(fā)動機(jī)示意圖圖3：沼氣發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)布置圖表1.1氣體發(fā)動機(jī)的分類國外對對沼氣發(fā)動機(jī)的研究起步很早，沼氣發(fā)動機(jī)的零部件的性能穩(wěn)定，如普遍使用電子調(diào)速器和電子點火裝置等，

8、這就保證了整機(jī)有良好的綜合性能指標(biāo)。近年來國外大型沼氣發(fā)動機(jī)發(fā)展迅猛，主要用于發(fā)電機(jī)組。國外用于沼氣發(fā)電的內(nèi)燃機(jī)主要使用Otto發(fā)動機(jī)和Diesel發(fā)動機(jī)，其單位重量的功率約為27 kW/T。汽輪機(jī)中燃?xì)獍l(fā)動機(jī)和蒸汽發(fā)動機(jī)均有使用，燃?xì)獍l(fā)動機(jī)的優(yōu)點是單位重量的功率大，一般為70-140kW/T；蒸汽發(fā)動機(jī)一般為10kW/T。國外沼氣發(fā)電機(jī)組主要用于垃圾填埋場的沼氣處理工藝中。目前，美國在沼氣發(fā)電領(lǐng)域有許多成熟的技術(shù)和工程，處于世界領(lǐng)先水平。現(xiàn)有61個填埋場使用內(nèi)燃機(jī)發(fā)電，加上使用汽輪機(jī)發(fā)電的裝機(jī)，總?cè)萘恳堰_(dá)340MW；歐洲用于沼氣發(fā)電的內(nèi)燃機(jī)，較大的單機(jī)容量在0.4-2MW，填埋沼氣的發(fā)電效率

9、約為1.68-2kWh/m3。國內(nèi)對沼氣發(fā)動機(jī)的研究始于八十年代初，先后有一些單位進(jìn)行沼氣發(fā)動機(jī)的結(jié)構(gòu)改裝和提高熱效率方面的研究工作。在沼氣發(fā)動機(jī)發(fā)展的初期，主要是對沼氣-柴油雙燃料發(fā)動機(jī)進(jìn)行研究，因此技術(shù)上也相對比較成熟。早在1982年，中國農(nóng)機(jī)研究院與四川綿陽新華內(nèi)燃機(jī)廠合作，共同研制出了S195-1型沼氣-柴油雙燃料發(fā)動機(jī)。成都科技大學(xué)在1105雙燃料機(jī)上對調(diào)速和供氣系統(tǒng)進(jìn)行了研究；四川南充農(nóng)業(yè)機(jī)械研究所在S195雙燃料機(jī)上對提高發(fā)動機(jī)的熱效率進(jìn)行過研究；上海新中動力機(jī)廠在20/27柴油機(jī)基礎(chǔ)上研制出20/27G雙燃料機(jī)，用以燃燒天然氣、沼氣、煤氣等。在雙燃料發(fā)動機(jī)中，由于引燃柴油燃燒后

10、釋放能量大， 對燃燒過程有利，多以雙燃料發(fā)動機(jī)工作時的問題不是很突出4。早期人們對全燒式沼氣發(fā)動機(jī)的研究相對少些。濰坊柴油機(jī)廠是我國研制全燒氣體發(fā)動機(jī)較早的單位，該廠于八十年代初研制了功率為120千瓦的6160A-3型沼氣發(fā)動機(jī)；貴州柴油機(jī)廠和四川農(nóng)業(yè)機(jī)械研究所共同開發(fā)出60千瓦的6135 AD(Q)型全燒沼氣(天然氣)發(fā)動機(jī)發(fā)電機(jī)組。此外重慶紅巖機(jī)器廠、上海內(nèi)燃機(jī)研究所、南通柴油機(jī)廠等單位也進(jìn)行過這方面的研究、研制工作。1.1.3沼氣發(fā)動機(jī)的應(yīng)用沼氣是一種新型的可再生能源，其燃燒產(chǎn)物中的污染物很少，而且沼氣厭氧發(fā)酵技術(shù)對工廠廢水、城市生活垃圾、農(nóng)業(yè)廢棄物等有非常好的處理效果，有積極的環(huán)保意義

11、。我們以沼電在酒廠中的的綜合效益為例：四川榮縣進(jìn)行了120 kW沼氣發(fā)電的生產(chǎn)和示范。用酒糟廢水經(jīng)厭氧消化產(chǎn)生沼氣，發(fā)電效率為1.69 kWh/m3，當(dāng)年成本為0.0465元/kWh。沼電能夠基本滿足該廠的生產(chǎn)用電。山東昌樂酒廠安裝2臺120 kW的沼氣發(fā)電機(jī)組，170m3酒糟日產(chǎn)沼氣4800m3，發(fā)電8640kwh，全年能源節(jié)約開支29萬元，工程運行一年即收回全部成本。杭州天子嶺填埋場發(fā)電工程在運行過程中，在平均電價為0.438元/kWh的條件下，投資回報率可達(dá)14.8%。沼氣作為照明和炊火能源已廣泛地應(yīng)用于許多發(fā)展中國家的偏遠(yuǎn)地區(qū)，并取得了巨大了成效。我國農(nóng)村偏遠(yuǎn)地區(qū)還有許多地方嚴(yán)重缺電，

12、如牧區(qū)、海島、偏僻山區(qū)等高壓輸電較為困難，而這些地區(qū)卻有著豐富的生物質(zhì)原料。因地制宜地發(fā)展小沼電，猶如建造微型“坑口電站”，可取長補短就地供電。 沼氣發(fā)電機(jī)組主要用于垃圾填埋場的沼氣處理工藝中，垃圾填埋沼氣發(fā)電技術(shù)是垃圾無害化、能源化、減量化處理的一條重要途徑。目前，美國在沼氣發(fā)電領(lǐng)域有許多 成熟的技術(shù)和工程，處于世界領(lǐng)先水平，其現(xiàn)有61個垃圾填埋場使用內(nèi)燃機(jī)發(fā)電加上使用汽輪機(jī)發(fā)電的裝機(jī)，總?cè)?量已達(dá)340MW。歐洲用于沼氣發(fā)電的內(nèi)燃機(jī)，較大的單機(jī)容量在0.4-2MW，填埋沼氣的發(fā)電效率約為1.68-2kW·h/m。德國政府鼓勵新能源的利用，給沼氣發(fā)電上網(wǎng) 提供了法律支持與政策鼓勵，

13、因此近年來德國應(yīng)用沼氣發(fā)電也迅速增加。目前，德國國內(nèi)沼氣發(fā) 電工程的數(shù)量已由1992年的139家發(fā)展到2003年底超過2000家，發(fā)電裝機(jī)總量由1999年的50MW猛增到2002年的250MW。生物質(zhì)能發(fā)電并網(wǎng)在西歐、德國、丹麥、奧地利、芬蘭、法國、瑞典 等一些國家的能源總量的比例為10%左右，預(yù)計本世紀(jì)末 將增加到25%5。 近年來由于環(huán)境和能源的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，我國在農(nóng)村地區(qū)大力發(fā)展沼氣技術(shù)， 有效地解決了當(dāng)?shù)鼐用竦拇痘鹉茉吹膯栴}，保護(hù)了當(dāng)?shù)氐纳仲Y源。沼氣發(fā)電技術(shù)可以將這種清潔的可再生能源轉(zhuǎn)化為電能，輸入公用電網(wǎng)，對我國許多農(nóng)村偏遠(yuǎn)地區(qū)的用電提供了一個經(jīng)濟(jì)可行的途徑，可有效地解決部分地區(qū)生活及

14、生產(chǎn)中小功率用電的困難，并有利于緩解我國用電緊張的局面。在發(fā)達(dá)國家，沼氣發(fā)電技術(shù)被廣泛應(yīng)用于垃圾填埋廠等大型垃圾廢水的處理過程中，是一種經(jīng)濟(jì)有效的垃圾處理技術(shù)，受到廣泛的關(guān)注與深入的研究。1.2 選題意義目前我國經(jīng)濟(jì)處于高速發(fā)展階段，能源和環(huán)境問題在我國尤為凸顯。這兩方面是制約我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主要瓶頸。新能源已經(jīng)被列入國家十二五計劃，并被作為重點項目。我國在面對能源和環(huán)境問題上做出了重大舉措，節(jié)能減排，產(chǎn)業(yè)調(diào)整等等。對于汽車及發(fā)動機(jī)行業(yè)，研究開發(fā)清潔能源，設(shè)計高效低排放的發(fā)動機(jī)是發(fā)展的重點。沼氣是有機(jī)物在空氣隔絕和一定的濕度、溫度、酸堿度等條件下，經(jīng)過沼氣細(xì)菌作用產(chǎn)生的。它可以通過有機(jī)物（如秸稈

15、等）在厭氧條件下發(fā)酵制取，也可以對工廠和農(nóng)村中的多種污染物質(zhì)（如動物糞便等）和污水進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚矶玫健６覈械赜驈V闊的農(nóng)村，有大量的可用作生產(chǎn)沼氣的禽畜糞便和工業(yè)有機(jī)廢水資源，每年全國集約化養(yǎng)殖產(chǎn)生的畜禽糞便約有40336萬噸，其中干物質(zhì)總量為3715.5萬噸；工業(yè)有機(jī)廢水排放總量約為222.5億噸，是沼氣燃料的重要來源，具有很大的開發(fā)潛力。利用上述物質(zhì)制取沼氣具有多重效益：1) 實現(xiàn)了垃圾、廢物的利用，減少了環(huán)境污染，是城市垃圾處理的最好途徑；2) 利用廢棄物生產(chǎn)出了寶貴的能源；3) 避免了有機(jī)垃圾的露天存放或焚燒，減少了排向大氣的甲烷(甲烷的溫室效應(yīng)是二氧化碳22倍)，緩解了大氣溫室效

16、應(yīng)；4) 生產(chǎn)出優(yōu)質(zhì)的肥料。國外一些國家已經(jīng)在這方面進(jìn)行開發(fā)。沼氣作為一種優(yōu)良的代用燃料，具有來源豐富、廢物利用、成本低、燃燒完全清潔和較高的熱值及較好的抗爆性的特點，其在發(fā)動機(jī)上的應(yīng)用越來越受到人們的重視。結(jié)合我國的實際國情，沼氣的儲備量非常的大，制取非常方便，沼氣發(fā)動機(jī)一旦成熟，并得到廣泛應(yīng)用，這對于能源問題和環(huán)境問題的解決會非常有利。隨著對環(huán)境的日益重視，人們開始利用各種方式來減少工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對環(huán)境的破壞。近十幾年來，在各級政府有關(guān)部門和企業(yè)的幫助協(xié)調(diào)下，用于處理畜禽糞便及各種生產(chǎn)、生活污水的大中型沼氣工程紛紛上馬，至1998年底，我國已建成大中型沼氣工程742處，年產(chǎn)沼氣量為16393.

17、94萬立方米；垃圾填埋法產(chǎn)生沼氣是處理城市垃圾的主要方式之一，具有簡單易行和費用較低的特點，同時還可回收能源，正受到世界各國的普遍歡迎。目前，全世界共建成4817座垃圾填埋場，每年可回收沼氣51.42億立方米。在眾多的代用燃料中，沼氣是一種良好的代用燃料，由于它的優(yōu)點眾多，而被各國廣泛研究。因此對沼氣發(fā)動機(jī)的研究也日漸深入。目前沼氣發(fā)動機(jī)的零部件的性能穩(wěn)定，并且國外已經(jīng)普遍使用電子調(diào)速和電子點火裝置等，這保證了沼氣發(fā)動機(jī)具有良好的綜合性能指標(biāo)。國內(nèi)對沼氣發(fā)動機(jī)的研究大約始于上世紀(jì)八十年代，發(fā)動機(jī)類型以雙燃料為主，全燒式機(jī)型很少。并且國內(nèi)的沼氣發(fā)動機(jī)主要是由現(xiàn)有的柴油機(jī)或汽油機(jī)改裝而成，這使得發(fā)

18、動機(jī)在運行過程中會出現(xiàn)很多問題，諸如熱負(fù)荷高、可靠性差以及啟動困難等。隨著電控技術(shù)的高速發(fā)展及在發(fā)動機(jī)上的應(yīng)用，如何將現(xiàn)有的電控技術(shù)應(yīng)用于沼氣發(fā)動機(jī)，并開發(fā)配套的控制系統(tǒng)，是現(xiàn)在國內(nèi)面臨的主要問題。如果解決了這些問題，沼氣發(fā)動機(jī)的使用前景將非常的廣闊。2 沼氣的燃燒特性以及對發(fā)動機(jī)的影響2.1 沼氣的燃燒特性沼氣是一種清潔能源，主要用作民用燃料，用于照明、供暖、燃燒發(fā)電等，。沼氣是一種較好的代用燃料，它完全燃燒時火焰呈藍(lán)白色，火苗短而急，穩(wěn)定有力，同時伴有微弱的滋滋聲，沼氣的燃燒溫度較高并放出大量的熱，燃燒后的產(chǎn)物是水和二氧化碳。沼氣的主要成分是甲烷，甲烷的著火溫度比較高，而沼氣中的二氧化碳對

19、燃燒有劇烈的抑制作用，所以沼氣的燃燒速度很慢，不足液化石油氣燃燒速度的1/4，僅為焦?fàn)t煤氣燃速的1/8。每立方米沼氣的熱值約為17.95MJ-25.13MJ；1m3沼氣的熱值相當(dāng)于1kg原煤的熱值，主要是由于沼氣燃燒效率是煤的3.3倍，因此，在熱值利用時，1m3米沼氣能代替3.3kg原煤使用。沼氣的主要成分和物化特性以及和其他種類燃料的對比見表2-1、2-2、2-36。由以下三表可知沼氣的燃燒特性7：(1) 熱值低。低熱值18-25MJ/ m3，隨 CH4含量的多少不同而改變。 (2) 著火溫度高。達(dá)到654-800，這是沼氣中的氮氣和二氧化碳的惰性作用。 (3) 火焰?zhèn)鞑ニ俣鹊?。最大只?5

20、cm/s，是甲烷的1/3，是甲醇的1/2，所以燃燒速度慢。 (4) 沼氣與空氣混合氣的熱值，隨著過量空氣系數(shù)的變化而變化，當(dāng)增大時，混合氣的熱值降低，且沼氣與空氣的混合氣的熱值比柴油與空氣的混合氣的熱值低。 (5) 沼氣中甲烷值高，其辛烷值高，抗爆性強，可采用高壓縮比燃燒。 (6) 沼氣與空氣混合的空燃比為17.25:1，比柴油與空氣混合的空燃比15：1大，所以燃燒需要空氣比柴油多。 (7) 柴油機(jī)用液體燃料，使用沼氣燃料后，氣缸容積效率低，只有提高沼氣進(jìn)入密度，才能使容積效率增高。 表2-1 沼氣的主要組分和物化特性 表2-2 與其他燃料特性的比較表2-3 沼氣與其他種類氣體燃料的對比沼氣中

21、硫化氫含量雖然很少，但對發(fā)動機(jī)的影響卻很大。一般來說，當(dāng)硫化氫的含量低于0.1，沼氣可不經(jīng)任何前處理直接進(jìn)入發(fā)動機(jī)燃燒；而當(dāng)硫化氫的含量超過0.1，沼氣則必須先經(jīng)脫硫處理 降低硫化氫的含量才能進(jìn)入發(fā)動機(jī)，否則硫化物將嚴(yán)重腐蝕發(fā)動機(jī)零部件，特別是氣缸、活塞環(huán)和軸瓦等。沼氣在燃燒過程中空氣的混入量對其燃燒特性有很大的影響。lafay等人對沼氣穩(wěn)定燃燒區(qū)域、火焰結(jié)構(gòu)、甲烷/空氣和沼氣/空氣火焰結(jié)構(gòu)的變化進(jìn)行了分析，結(jié)果表明，燃?xì)饨M成變化時火焰及其動態(tài)變化與火焰的分層結(jié)構(gòu)有強烈的依賴關(guān)系。在沼氣中加入少量的氫氣可以明顯地改善沼氣的燃燒性能8。Porpatham等在沼氣中加入少量的氫氣(5%、10%、1

22、5%，以能量計)，并以此為燃料，在一定速度下研究了不同的氫氣比例對火花點燃式發(fā)動機(jī)的性能、排放、燃燒的影響。結(jié)果表明，氫氣的加入明顯增加了沼氣的燃燒率，減少了沼氣燃燒的限制， 在制動熱效率和制動能量上有明顯的改善。然而高于15%的氫含量并沒有導(dǎo)致相對較高的燃燒率9。 2.2 沼氣燃燒特性對發(fā)動機(jī)的影響沼氣的燃燒特點決定了沼氣發(fā)動機(jī)具有與其他燃料發(fā)動機(jī)不同的特征2： (1) 壓縮比。沼氣含有大量的甲烷以及二氧化碳，其抗爆性好，不會發(fā)生末端氣體自燃的現(xiàn)象，因此可適當(dāng)提高壓縮比。 (2) 進(jìn)氣系統(tǒng)。在空氣濾清器后，需加裝一套沼氣一空氣混合器，以調(diào)節(jié)空燃比和混合氣進(jìn)氣量，混合氣應(yīng)調(diào)節(jié)精確。 (3) 燃

23、燒室。由于沼氣中含有大量二氧化碳，其燃燒速度很慢，對于燃燒過程的組織不利，因此采用加快燃燒速度的燃燒室。 (4) 調(diào)速系統(tǒng)。沼氣發(fā)動機(jī)的運行場合大多是以發(fā)電機(jī)為負(fù)荷，所以調(diào)速系統(tǒng)必不可少。 (5) 沼氣脫硫裝置沼氣中含有少量的硫化氫，該氣體對發(fā)動機(jī)有強烈的腐蝕作用，因此供發(fā)動機(jī)用的沼氣要先經(jīng)過脫硫處理。 (6) 廢氣排放。由于沼氣中有大量的甲烷，所以其整機(jī)排煙少，又沼氣中含有較多的二氧化碳，這有助于降低燃燒溫度，從 而減少氮氧化合物的排放量； 同時其燃燒速度很慢，這容易導(dǎo)致碳?xì)浠衔锏纳?，所以對合理組織好缸內(nèi)燃燒要求較高。 Muiholand通過對甲烷在著火過程中化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)的研究10，認(rèn)

24、為甲烷的著火延遲時間較長，隨著可燃混合氣溫度的增加可以減少著火時間。因此采用增大壓縮比和高能點火來縮短著火延遲時間，促進(jìn)火焰?zhèn)鞑サ姆椒ǘ际怯欣谡託馊紵拇胧?。火花點火式沼氣發(fā)動機(jī)可采用高能點火系統(tǒng)增大放電初期的電流和電壓可明顯改善點燃式沼氣發(fā)動機(jī)的性能11 12 13。E. Porpatham等人14對沼氣在點燃式發(fā)動機(jī)上的應(yīng)用進(jìn)行了研究。研究表明，沼氣中二氧化碳含量對發(fā)動機(jī)的動力性，排放性以及燃燒特性有很大的影響。采用點燃式沼氣發(fā)動機(jī)，轉(zhuǎn)速保持在1500rpm，壓縮比采用13:1，隨著沼氣中二氧化碳含量的降低，發(fā)動機(jī)的動力性提高，并且碳?xì)浠衔锏呐欧哦嫉玫接行У慕档?。浙江大學(xué)內(nèi)燃機(jī)研究所的

25、夏來慶等人15以及浙江大學(xué)動力機(jī)械及車輛工程研究所熊樹生等人16先后從分析沼氣燃燒特點出發(fā)，提出改善火花點火式沼氣發(fā)動機(jī)性能的快速燃燒方法，并開發(fā)出具有風(fēng)扇形狀燃燒室的新型快速燃燒系統(tǒng)。通過模擬和上機(jī)實驗，結(jié)果表明：風(fēng)扇形燃燒室對加快混合氣燃燒速度，改善沼氣發(fā)動機(jī)中的燃燒過程有明顯的效果；新型燃燒系統(tǒng)對改善火花點火式沼氣發(fā)動機(jī)可靠性和經(jīng)濟(jì)性具有明顯的效果。浙江工業(yè)大學(xué)的陳勇17等人對這種新型的快速燃燒系統(tǒng)進(jìn)行了更深入的研究，肯定了這種快速燃燒系統(tǒng)在改善沼氣發(fā)動機(jī)可靠性和經(jīng)濟(jì)型的作用。沼氣燃燒速度慢，致使燃燒持續(xù)期延長，后燃嚴(yán)重，排溫高，燃燒效率低，是導(dǎo)致火花點火式沼氣發(fā)動機(jī)可靠性和經(jīng)濟(jì)性差的根

26、本原因。提高燃燒速度可以減輕后燃的嚴(yán)重狀態(tài)，從而降低排氣溫度，改善發(fā)動機(jī)的可靠性和經(jīng)濟(jì)性。湍流強度高的燃燒室可以有效的加快沼氣的燃燒速度，另外，沼氣的甲烷含量很高，抗爆性能較好，因此在兼顧其他影響因素后，應(yīng)盡量提高沼氣發(fā)動機(jī)的壓縮比。增大點火能量對提高沼氣燃燒速度，改善發(fā)動機(jī)性能也有明顯的作用。3沼氣發(fā)動機(jī)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀3.1 沼氣發(fā)動機(jī)的改裝目前，用于沼氣發(fā)電的設(shè)備主要有內(nèi)燃機(jī)和汽輪機(jī)，主要機(jī)理是沼氣燃燒使內(nèi)燃機(jī)或汽輪機(jī)轉(zhuǎn)動帶動發(fā)電機(jī)發(fā)電。內(nèi)燃機(jī)一般由柴油機(jī)和汽油機(jī)改制而成， 分為雙燃料式和單燃料式兩種。由于沼氣的著火點很高， 靠壓縮自燃比較困難， 因此需要采取一定的技術(shù)措施。一般單燃料式燒

27、純沼氣，用電火花點火；雙燃料式噴柴油點火。若將柴油機(jī)改燒沼氣，須作如下幾項工作：(1) 確定為降低壓縮 比及燃燒室形狀所必需的機(jī)器改裝；(2) 設(shè)計沼氣的進(jìn)氣系統(tǒng)和沼氣一空氣混合器機(jī)構(gòu)；(3) 設(shè)計氣體調(diào)節(jié)系統(tǒng)及其與調(diào)速器相配的聯(lián)動機(jī)構(gòu)；(4) 設(shè)計點火系統(tǒng)。若是由汽油機(jī)改燒沼氣則不需再作(1) 、(3) 、(4) 項工作18。國內(nèi)外對沼氣發(fā)動機(jī)的改裝做了大量的研究。李會芬等以沼氣作為小型汽油機(jī)的燃料在165F汽油機(jī)上進(jìn)行了燃用沼氣的改裝試驗，初步得出沼氣作為小型汽油機(jī)的燃料是可行的20。廣西大學(xué)周從鉅等人將165F柴油機(jī)改裝成沼氣-柴油雙燃料發(fā)動機(jī)，將其性能與原機(jī)對比，實驗研究證明在原機(jī)壓縮

28、比不變，增大進(jìn)氣量，控制空燃比及增大供油提前角等技術(shù)措施下，沼氣發(fā)動機(jī)能取得節(jié)油效果，其動力性接近原機(jī)指標(biāo)7。江蘇大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院的盤朝奉等人對165F汽油機(jī)進(jìn)行改裝后燃用沼氣進(jìn)行了試驗研究，并搭建了沼氣實驗裝置平臺如圖4所示19。實驗表明將汽油機(jī)的磁電機(jī)點火裝置改成蓄電池點火裝置，加裝沼氣-空氣混合器，加大進(jìn)氣管，沼氣發(fā)動機(jī)燃燒純沼氣能夠正常啟動，低轉(zhuǎn)速范圍動力性能較好，使得裝備磁電機(jī)點火裝置的沼氣發(fā)動機(jī)難以啟動的問題可以解決。另外，通過提高壓縮比和增大點火提前角，發(fā)動機(jī)性能可得到一定的優(yōu)化，接近原機(jī)燃用汽油的動力性指標(biāo)。在較大的轉(zhuǎn)速范圍，發(fā)動機(jī)的輸出功率和轉(zhuǎn)矩隨壓縮比和點火提前角的增

29、大而增大。熊樹生等利用快壓機(jī)對沼氣燃燒的過程進(jìn)行了模擬，提出了火花點火沼氣發(fā)動機(jī)性能的快速燃燒方法，設(shè)計出了包括燃燒室在內(nèi)的快速燃燒系統(tǒng)， 并將其用于6160 圖4：沼氣發(fā)動機(jī)實驗裝置沼氣發(fā)動機(jī)發(fā)電機(jī)組的開發(fā)16。目前較成熟的國產(chǎn)沼氣發(fā)電機(jī)組的功率規(guī)格主要集中在100-500kW這個區(qū)段，根據(jù)沼氣建設(shè)發(fā)展趨勢分析和對沼氣發(fā)電設(shè)備的市場需求調(diào)查，對大于和小于這個區(qū)段規(guī)格的發(fā)電機(jī)組的需求正在增長。劉振波等人根據(jù)農(nóng)村戶用沼氣池的系統(tǒng)特征和沼氣的燃燒特性，設(shè)計研制了功率分別為700、l800、3800、4800W等系列的戶用沼氣發(fā)電裝置21。陳志強等人測試了不同天氣情況下沼氣成分的變化，并將汽油機(jī)加裝

30、自制的沼氣-空氣混合器改裝成沼氣發(fā)動機(jī)，在此基礎(chǔ)上開發(fā)出一種小型沼氣發(fā)電機(jī)，并對該機(jī)進(jìn)行了測試，對今后沼氣發(fā)電機(jī)的開發(fā)提出了建議22。天津大學(xué)趙勇對6160Q柴油改裝沼氣發(fā)動機(jī)進(jìn)行了研究，他在6160A型柴油機(jī)的基礎(chǔ)上重新設(shè)計了汽缸蓋、活塞連桿，并相應(yīng)的增加了燃?xì)夤┙o系統(tǒng)、高能點火系統(tǒng)、電子調(diào)速結(jié)合組等一系列技術(shù)措施，將其改裝成燃?xì)獍l(fā)動機(jī)23。廣西大學(xué)的莫德赟將汽油機(jī)改裝成汽油-沼氣雙燃料發(fā)動機(jī)，設(shè)計了空氣混合器，對空燃比和汽油量的控制采用的是開環(huán)控制策略電控的方法6。Duc等人研究了沼氣發(fā)動機(jī)的性能、柴油燃料的替代、能量消耗和長期的使用效應(yīng)，結(jié)果顯示：使用沼氣-柴油雙燃料除了降低發(fā)動機(jī)的能量

31、轉(zhuǎn)換效率，而沼氣對柴油燃料的替代抵消了能量轉(zhuǎn)換率的降低，除此之外對發(fā)動機(jī)的性能沒有明顯的副作用。這種發(fā)動機(jī)在某些方面的長期使用是具有經(jīng)濟(jì)可行性的24。N. Tippayawong等人25 26對小型沼氣-柴油雙燃料動機(jī)作為發(fā)電機(jī)進(jìn)行了研究。他們將一小型柴油機(jī)改裝成沼氣-柴油雙燃料發(fā)動機(jī)，并與發(fā)電裝置連接。2007年進(jìn)行了2000h的耐久性試驗，2010年進(jìn)行了超過3500h的耐久性試驗。燃燒90%的沼氣，10%的柴油。實驗證明沼氣完全可以作為柴油的替代燃料，減少柴油消耗，并且發(fā)動機(jī)長時間工作穩(wěn)定。小型沼氣發(fā)動機(jī)作為發(fā)電機(jī)使用的潛力很大。Siripornakarachai S等人27 28將一臺

32、Hino K-13CTI渦輪增壓柴油機(jī)改裝成沼氣發(fā)動機(jī)用于發(fā)電設(shè)備。加裝沼氣空氣混合器，用火花點火系統(tǒng)代替燃油噴射系統(tǒng)，并把壓縮比從原來的16:1減小到8:1，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速固定在1500rpm，改裝后的發(fā)動機(jī)輸出功率為134.20KW，并且一氧化碳及氮氧化物的排放降低。綜上所述，沼氣發(fā)動機(jī)可以由柴油機(jī)和汽油機(jī)進(jìn)行簡單的改裝，加裝沼氣-空氣混合裝置。根據(jù)沼氣的燃燒特性，使沼氣發(fā)動機(jī)穩(wěn)定高效的運轉(zhuǎn)，還要對其性能參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)膬?yōu)化。沼氣燃燒速度慢，致使燃燒持續(xù)期延長，后燃嚴(yán)重，排溫高，燃燒效率低，是導(dǎo)致火花點火式沼氣發(fā)動機(jī)可靠性和經(jīng)濟(jì)性差的根本原因。提高燃燒速度可以減輕后燃的嚴(yán)重狀態(tài)，從而降低排氣溫度

33、，改善發(fā)動機(jī)的可靠性和經(jīng)濟(jì)性。湍流強度高的燃燒室可以有效的加快沼氣的燃燒速度，另外，沼氣的甲烷含量很高，抗爆性能較好，因此在兼顧其他影響因素后，應(yīng)盡量提高沼氣發(fā)動機(jī)的壓縮比。增大點火能量對提高沼氣燃燒速度，改善發(fā)動機(jī)性能也有明顯的作用。國內(nèi)沼氣發(fā)動機(jī)主要用作發(fā)電機(jī)組和動力與供熱混合系統(tǒng)裝置。在城市垃圾污水處理廠，酒廠等沼氣能源較充足的地方裝配有較大型的沼氣發(fā)電機(jī)，但是由于國內(nèi)沼氣發(fā)動機(jī)的性能不是非常完善，很多大型沼氣發(fā)動機(jī)都是從國外進(jìn)口。另外，我國農(nóng)村沼氣資源豐富，但資源很不集中，不能引進(jìn)大型沼氣發(fā)動機(jī)，因此近年來國內(nèi)各研究單位正不斷研究開發(fā)小型沼氣發(fā)動機(jī)。小型沼氣發(fā)動機(jī)改裝方便，適合廣大農(nóng)村

34、及偏遠(yuǎn)地區(qū)發(fā)電。目前國內(nèi)很多廠家已經(jīng)推出小型沼氣發(fā)動機(jī)。大多數(shù)的小型沼氣發(fā)動機(jī)只是在原柴油機(jī)或原汽油機(jī)的基礎(chǔ)上加裝沼氣-空氣混合裝置，這使得發(fā)動機(jī)的性能很不穩(wěn)定。如何在沼氣發(fā)動機(jī)上利用先進(jìn)的增壓技術(shù)、快速燃燒系統(tǒng)、高能點火以及電控技術(shù)等，提高沼氣發(fā)動機(jī)的可靠性、動力性、經(jīng)濟(jì)性和排放性是我們需要關(guān)注的重點。3.2 沼氣發(fā)動機(jī)的增壓發(fā)動機(jī)輸出的機(jī)械功是由燃料在氣缸中燃燒產(chǎn)生的熱能轉(zhuǎn)化而來的,輸出功的大小取決于進(jìn)入氣缸內(nèi)的燃料和空氣數(shù)量,以及熱能的有效利用程度。因此,要提高發(fā)動機(jī)的功率,就必須向氣缸噴射更多的燃料,并使它充分燃燒,而要使燃料充分燃燒，就必須在增加燃料噴射量的同時增加進(jìn)入氣缸的空氣量,

35、保證合適的空燃比。增加進(jìn)氣量的有效方法之一是增加進(jìn)氣密度,進(jìn)氣壓力升高和溫度降低都可以使進(jìn)氣密度增加。目前廣泛采用的是增加進(jìn)氣壓力的方法。進(jìn)氣增加, 一般分為機(jī)械增壓、廢氣渦輪增壓及復(fù)合增壓3種型式。由于廢氣渦輪增壓是利用排氣過程所排出廢氣的剩余能量來帶動壓氣機(jī),充分利用了排氣能量。該方式不僅使發(fā)動機(jī)功率上升,而且燃料消耗率反而下降,提高了動力性, 改善了經(jīng)濟(jì)性,因而被廣泛采用。由于沼氣發(fā)動機(jī)近年來才得到重視和研究應(yīng)用，目前國內(nèi)外專門介紹沼氣發(fā)動機(jī)增壓技術(shù)的參考文獻(xiàn)幾乎沒有，但是進(jìn)氣系統(tǒng)帶有節(jié)氣門的汽油機(jī)和天然氣發(fā)動機(jī)增壓技術(shù)以及柴油發(fā)電機(jī)組增壓技術(shù)對沼氣發(fā)電機(jī)組增壓具有很大程度的借鑒性。土耳

36、其Yildiz Technical 大學(xué)的Ugur Kesgin29使用BOOST軟件研究了廢氣渦輪增壓系統(tǒng)的參數(shù)對天然氣發(fā)動機(jī)性能的影響，特別是排氣歧管直徑，渦輪出口管道直徑，增壓器效率，增壓器位置，渦輪出口背壓和壓縮機(jī)前的壓力損失等。Siripornakarachai S等人27 28將一臺Hino K-13CTI渦輪增壓柴油機(jī)改裝成沼氣發(fā)動機(jī)用于發(fā)電設(shè)備。加裝沼氣空氣混合器，用火花點火系統(tǒng)代替燃油噴射系統(tǒng)，并把壓縮比從原來的16:1減小到8:1，發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速固定在1500rpm，改裝后的發(fā)動機(jī)輸出功率為134.20KW，并且一氧化碳及氮氧化物的排放降低。國家燃?xì)馄嚬こ碳夹g(shù)研究中心的陳萬應(yīng)

37、等人30就增壓技術(shù)在CNG汽車上的應(yīng)用進(jìn)行了試驗研究。他們選用了安裝比較方便的渦輪增壓機(jī)方案對發(fā)動機(jī)進(jìn)行改裝，實驗表明：采用增壓技術(shù)后，在發(fā)動機(jī)可以保持良好排放性能和燃料經(jīng)濟(jì)行的情況下，可以使發(fā)動機(jī)功率恢復(fù)到原汽油機(jī)的水平。北京理工大學(xué)的魏明山等人31 32就帶有可變噴嘴的渦輪增壓系統(tǒng)的天然氣發(fā)動機(jī)進(jìn)行了試驗研究。他們在CA4G22E發(fā)動機(jī)的基礎(chǔ)上開發(fā)出一臺多點順序噴射的天然氣發(fā)動機(jī)。實驗結(jié)果表明，采用增壓中冷技術(shù)和可變噴嘴渦輪技術(shù)可以提高發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣量，優(yōu)化發(fā)動機(jī)在全工況范圍內(nèi)與增壓器的匹配，大幅度提高了發(fā)動機(jī)的動力性和經(jīng)濟(jì)性。北京交通大學(xué)的孟金喆等人33對天然氣增壓發(fā)動機(jī)工作過程進(jìn)行了模擬

38、分析研究。北京交通大學(xué)的安存春等人34利用GT-POWER軟件對電控CNG發(fā)動機(jī)建立了仿真模型，對發(fā)動機(jī)與增壓器的匹配進(jìn)行了仿真模擬。結(jié)果表明，發(fā)動機(jī)能夠與增壓器進(jìn)行較好的匹配，但由于增壓器采用了了放氣閥壓力調(diào)節(jié)裝置，致使某些工況下發(fā)動機(jī)的效率降低。北京理工大學(xué)的郝利君等人35對電控可調(diào)渦輪增壓天然氣發(fā)動進(jìn)行了開發(fā)。他們將一臺CA488汽油機(jī)改裝成電控可調(diào)渦輪增壓天然氣發(fā)動機(jī)。該發(fā)動機(jī)采用了多點燃?xì)忭樞驀娚浼夹g(shù)、電控高能電火技術(shù)、可調(diào)噴嘴渦輪增壓技術(shù)及中冷技術(shù)。經(jīng)過試驗研究可知采用可調(diào)渦輪增壓技術(shù)可提高發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣量，優(yōu)化增壓器在全工況范圍內(nèi)與發(fā)動機(jī)的匹配，大幅度提高了發(fā)動機(jī)的動力性與經(jīng)濟(jì)性。

39、增壓后天然氣發(fā)動機(jī)的最大功率與原汽油機(jī)相當(dāng)，低速轉(zhuǎn)矩特性明顯，同時發(fā)動機(jī)使用經(jīng)濟(jì)性也得到提高。綜上所述，對于沼氣發(fā)動機(jī)而言，合理的采取增壓技術(shù)，配合高能電火、增壓中冷等先進(jìn)的技術(shù)，可以使發(fā)動機(jī)的動力性和經(jīng)濟(jì)行有很大的提高。目前國內(nèi)對增壓技術(shù)在沼氣發(fā)動機(jī)上的應(yīng)用研究還比較少，都是直接應(yīng)用其他氣體發(fā)動機(jī)。隨著沼氣發(fā)動機(jī)在國內(nèi)的應(yīng)用及發(fā)展，對沼氣發(fā)動機(jī)應(yīng)用增壓技術(shù)的研究迫在眉睫。3.3 沼氣發(fā)動機(jī)的燃料供給系統(tǒng)目前，對于氣體發(fā)動機(jī)，國內(nèi)外對CNG氣發(fā)動機(jī)和LPG發(fā)動機(jī)的研究相對較多。普通的氣體機(jī)一般是由現(xiàn)用的柴油機(jī)或汽油機(jī)改裝而成。其中最關(guān)鍵的技術(shù)就是燃料供給系統(tǒng)和燃料調(diào)節(jié)系統(tǒng)。目前氣體發(fā)動機(jī)的供氣

40、分為缸內(nèi)供氣和缸外供氣，缸內(nèi)供氣主要是高壓噴射閥供氣，缸外供氣可分為混合氣供氣和低壓噴射閥供氣。缸外進(jìn)氣道噴射分為進(jìn)氣總管單點噴射和進(jìn)氣歧管多點噴射兩種。按照各缸的工作順序向各個進(jìn)氣歧管噴射燃?xì)?。進(jìn)氣道混合器預(yù)混合式分為機(jī)械混合器預(yù)混合式燃料控制系統(tǒng)和電控混合器預(yù)混合式燃料控制系統(tǒng)。機(jī)械混合器預(yù)混合式燃料控制系統(tǒng)控制精度不高，動力性較差，排放難以達(dá)到國家法規(guī)要求。電控混合器預(yù)混合式燃料控制系統(tǒng)，屬于簡單閉環(huán)控制，增加電子控制模塊、氧傳感器、燃料控制步進(jìn)電機(jī)，對空燃比進(jìn)行閉環(huán)控制。步進(jìn)電機(jī)響應(yīng)慢，并且存在丟步現(xiàn)象，難以滿足發(fā)動機(jī)瞬態(tài)動力響應(yīng)，排放控制的要求。但是結(jié)構(gòu)簡單，成本低，可適用于不同的氣

41、體燃料。 混合器根據(jù)原理的不同大體可分為兩種，即文丘里管式(圖5)和比例調(diào)節(jié)式(圖6) 36。文丘里管式混合器對于氣體壓力的要求比較嚴(yán)格，且在開機(jī)時不容易找到最佳混合比，起動性能較差，在突然加載時，由于燃?xì)庹{(diào)節(jié)不能及時跟上負(fù)載的變化容易脫載。而大部分現(xiàn)有沼氣發(fā)電機(jī)組功率不大，用戶多采用直接帶負(fù)載的方式，所用此種混合器存在著一定的弊端。但此種混合器的優(yōu)點是可以適應(yīng)不同的沼氣濃度。比例調(diào)節(jié)式混合器閥芯由兩個關(guān)聯(lián)的節(jié)流閥芯組成，分別控制燃?xì)夂涂諝饬魍ń孛娣e?；旌掀鞴ぷ鲿r，膜片感應(yīng)到進(jìn)氣管真空度的變化，帶動閥芯上下移動，改變?nèi)細(xì)夂涂諝饬魍ń孛娣e，從而控制燃?xì)夂涂諝饬髁浚瑢崿F(xiàn)控制混合器的空燃比。圖5：文

42、丘里管混合器圖6：比例調(diào)節(jié)混合器通常，控制燃?xì)馀c空氣的混合氣流量有三種方法：1）時間控制法，即控制燃?xì)饬魍ń孛娌蛔?，改變流通時間；2）控制截面積法，即流通時間不變，改變?nèi)細(xì)饬魍ń孛娣e：3）壓力控制法，通過改變壓差以改變?nèi)細(xì)饬髁?7。太原理工大學(xué)將壓力控制法和截面積控制法結(jié)合起來，研制了煤層氣發(fā)動機(jī)比例調(diào)節(jié)式混合器，由彈簧調(diào)節(jié)混合器內(nèi)膜片的升程，帶動一個連動閥，同時對燃?xì)夂涂諝饬髁窟M(jìn)行調(diào)整38。勝利油田管理局研制的煤層氣和沼氣發(fā)動機(jī)電控混合器，采用了類似的結(jié)構(gòu)，區(qū)別在于連動閥的機(jī)械驅(qū)動機(jī)構(gòu)由ECU控制的執(zhí)行器來替代36 3942。勝利石油管理局動力機(jī)械廠分別對煤氣機(jī)和沼氣發(fā)動機(jī)進(jìn)行了研究。他們開

43、發(fā)研制了6105型沼氣發(fā)電機(jī)組，采用電控混合器，計算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)實時監(jiān)控燃燒室內(nèi)的燃燒情況，并將燃信號反饋到ECU控制單元，ECU發(fā)出指令，使電控混合氣的執(zhí)行器帶動操縱機(jī)構(gòu)，改變沼氣與空氣的進(jìn)氣流道面積，根據(jù)沼氣中甲烷的變化合理匹配空氣和沼氣的流量，達(dá)到實時調(diào)節(jié)空燃比的目的，實現(xiàn)穩(wěn)定的稀薄燃燒，有效的發(fā)動機(jī)的控制熱負(fù)荷；另外，他們針對煤層氣甲烷成分變化自行研發(fā)了一種混合器來控制空燃比，發(fā)動機(jī)自動實時監(jiān)控燃燒狀況，由中央控制單元發(fā)出指令，執(zhí)行器動作改變空氣與瓦斯通道面積，達(dá)到調(diào)節(jié)空燃比的目。通過電子控制系統(tǒng)監(jiān)測發(fā)動機(jī)燃燒狀況，實時自動調(diào)節(jié)發(fā)動機(jī)空燃比在理想狀態(tài)。這種結(jié)構(gòu)形式的混合器雖然可以調(diào)節(jié)混合

44、氣的混合比，但只能按照固定的比例進(jìn)行調(diào)節(jié)。為此，合肥工業(yè)大學(xué)滕勤提出了一種新的電控雙閥式氣體燃料混合器方案。采用文丘里管式混合器，在混合器之前的燃?xì)夂涂諝獾耐分芯友b由ECU控制的控制閥，從而大大提高了空燃比控制的自由度和靈活性。進(jìn)氣系統(tǒng)示意圖如圖7所示43。上海交通大學(xué)的樊俊杰對60KW生物質(zhì)內(nèi)燃機(jī)發(fā)電機(jī)組的控制系統(tǒng)設(shè)計進(jìn)行了研究。基于文丘里管式混合器開發(fā)設(shè)計了一種類似的電控混合器。該電控混合器的控制原理如圖8所示44。圖7：電控煤層氣發(fā)動機(jī)系統(tǒng)示意圖圖8：電控混合器控制原理國外對沼氣發(fā)動機(jī)的研究相對比較多。就氣體發(fā)動機(jī)的進(jìn)氣系統(tǒng)而言，國外已經(jīng)經(jīng)過電控混合，電控單點噴射，電控多點噴射，缸內(nèi)

45、直噴。目前，在CNG發(fā)動機(jī)上缸內(nèi)直噴應(yīng)用已經(jīng)比較成熟。但對于沼氣發(fā)動機(jī)而言，由于其甲烷含量比較低，并且成分變化比較大，應(yīng)用較多的還是機(jī)械混合和電控混合。Viktória Barbara Kovács 等人45對沼氣在內(nèi)燃機(jī)上的應(yīng)用進(jìn)行了研究。他們將沼氣與液體燃料以及天然氣在內(nèi)燃機(jī)上的燃燒進(jìn)行了對比，由于沼氣中含有二氧化碳等抑制燃燒的氣體，導(dǎo)致沼氣的熱值比較低，這使得沼氣在氣體燃料發(fā)動機(jī)上的應(yīng)用受到限制。盡管現(xiàn)在燃料仍然依賴化石燃料，但是采取先進(jìn)的混合技術(shù)可以使沼氣成為很好的替代燃料。Iván Darío Bedoya等人46研究了混合系統(tǒng)以及不同引燃燃料

46、對沼氣-柴油雙燃料發(fā)動機(jī)性能的影響。他們采用了一種高壓混合器，以沼氣作為主要燃料，生物柴油作為引燃油，在一臺柴油發(fā)電機(jī)上進(jìn)行了實驗。和原機(jī)對比，使用沼氣以及生物柴油作為引燃油完全可以替代柴油，并且熱效率明顯提高，一氧化碳排放也明顯降低。Phan Minh Duc等人47研制了一種沼氣預(yù)混控制雙燃料發(fā)動機(jī)。并對發(fā)動機(jī)進(jìn)行了測試。Kokubu K等人48為氣體發(fā)動機(jī)發(fā)電裝置開發(fā)了一種沼氣-天然氣混合系統(tǒng)。日本已經(jīng)研發(fā)出結(jié)構(gòu)緊湊高效的熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，Kokubu K等人在此基礎(chǔ)上開發(fā)出了簡單且合理控制沼氣-天然氣混合裝置，該裝置可以在0%-100%范圍內(nèi)調(diào)節(jié)沼氣與天然氣的比例。目前這種混合器已經(jīng)應(yīng)用于

47、東京的一家啤酒廠，效果良好。電控調(diào)壓燃料控制方式，是一種新開發(fā)的燃料控制方式，控制方式類似于單點噴射系統(tǒng)，引入比例式混合器，通過控制進(jìn)入混合器的燃?xì)鈮毫刂苹旌掀骺杖急?，特點是燃?xì)鉃檫B續(xù)供給，在瞬態(tài)空燃比控制和瞬態(tài)響應(yīng)方面優(yōu)于單點噴射。上海交通大學(xué)的王都等人4951對稀燃增壓CNG發(fā)動機(jī)啟動怠速及怠速控制進(jìn)行了試驗研究，針對國四及以上排放標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計了基于電控調(diào)壓器的重型車用稀燃增壓天然氣發(fā)動機(jī)的電控系統(tǒng)。發(fā)動機(jī)的電控燃料供給系統(tǒng)如圖9所示。圖9: 天然氣發(fā)動機(jī)電控燃料供給系統(tǒng)終上所述，目前沼氣發(fā)動機(jī)可以應(yīng)用的供氣方式有:(1) 機(jī)械控制混合氣預(yù)混合式供氣。沼氣-空氣混合比有兩種方法：一種是通過

48、機(jī)械裝置控制通入混合氣的沼氣壓力；另一種是機(jī)械裝置控制混合器中的閥門開度來調(diào)節(jié)供氣量。對于沼氣-柴油雙燃料發(fā)動機(jī)，在實際操作中時通過操縱噴油泵調(diào)節(jié)齒桿來控制引燃柴油量。(2) 電子控制混合氣預(yù)混合式供氣。目前，電控噴射技術(shù)在汽油、柴油的應(yīng)用已經(jīng)非常常熟，在很多氣體發(fā)動機(jī)（如CNG發(fā)動機(jī)、LNG發(fā)動機(jī)等）也得到應(yīng)用。但是目前就國內(nèi)而言，電控噴射技術(shù)在沼氣發(fā)動機(jī)中還未應(yīng)用。主要由于不同的制取方法，壓力，溫度等因素對沼氣成分的影響非常大，這就對精確控制空燃比帶來了很大的困難。這也是目前國內(nèi)開發(fā)沼氣發(fā)動機(jī)電控燃料供給系統(tǒng)的難點。 3.4 沼氣發(fā)動機(jī)的空燃比控制策略氣體燃料具有經(jīng)濟(jì)性好、排污低等優(yōu)點，可

49、以替代日益短缺的石油資源，極具研究價值；但是，需要合理的控制利用才能發(fā)揮這些優(yōu)點，特別是控制混合氣的空燃比。國外對燃?xì)夤┙o系統(tǒng)的研究經(jīng)歷了機(jī)械混合、電控混合、電控氣體噴射3個階段。我國改裝較多的是機(jī)械汽化混合系統(tǒng)，正在向電控混合系統(tǒng)過渡。就氣體發(fā)動機(jī)而言，國內(nèi)外對CNG和LPG發(fā)動機(jī)相對比較成熟。因為CNG、LPG的氣體成分相對比較穩(wěn)定，這對空燃比的控制室相當(dāng)有利的。但是沼氣、煤層氣等氣體的成分隨壓力、溫度的變化相當(dāng)大，這對發(fā)動機(jī)空燃比的精確控制造成很大的困難。就國內(nèi)而言，對煤層氣發(fā)動機(jī)的空燃比控制研究相對比較多一點，專門對沼氣發(fā)動機(jī)空燃比控制的研究幾乎沒有。因此，可以參考煤層氣等組分變化比較

50、大的發(fā)動機(jī)的空燃比的控制策略，對沼氣發(fā)動機(jī)的空燃比控制進(jìn)行研究。空燃比控制策略按照控制環(huán)是否閉合分為開環(huán)控制和閉環(huán)控制。由于稀燃時氧化催化劑的廢氣轉(zhuǎn)化效能受空燃比影響很大，另外，燃?xì)獍l(fā)動機(jī)的功率、平均有效壓力受燃?xì)獬煞趾涂杖急鹊挠绊懴鄬τ谄?、柴油較大，因此閉環(huán)控制是最為有效的方案。閉環(huán)控制通常采用氧傳感器來反饋排氣中的實際氧濃度，從而達(dá)到精確控制空燃比的目的。閉環(huán)控制包括前饋控制和反饋控制。前饋控制器（發(fā)動機(jī)脈譜）控制空氣流量及燃?xì)饬髁?，反饋控制器對燃?xì)饣蚩諝夤┙o量進(jìn)行更精確的控制。當(dāng)前空燃比控制一般采用以下幾種控制方式：基于經(jīng)典控制理論的PID控制；基于模型的空燃比控制；基于模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)

51、絡(luò)的人工智能控制。第一種控制的難點在于有濾波延時和傳感器響應(yīng)和信號提取延時，需大量時間來制作MAP圖；第二種控制難點在于需要快速的處理器，需要發(fā)展計算動態(tài)系統(tǒng)的控制方法或辨識方法；第三種控制難點在于智能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)或規(guī)則的選擇，對處理器的計算速度與存儲容量有較高的要求52。目前，基于PID控制器及其變形的控制器在空燃比控制中容易實現(xiàn)，使用較廣。PID控制包括PI，PD，PID幾種形式。PID控制器是將給定值與實際輸出值偏差的比例(P)、積分(I)和微分(D)通過線性組合構(gòu)成控制量，對被控對象進(jìn)行控制。山東理工大學(xué)研究開發(fā)了一套變濃度煤層氣發(fā)動機(jī)電子控制燃?xì)鈬娚湎到y(tǒng)，提出了與煤層氣發(fā)動機(jī)相適應(yīng)的驅(qū)動

52、電路，并設(shè)計了系統(tǒng)控制軟件。當(dāng)發(fā)動機(jī)處于過渡工況，如加載、卸載和加減速時，運用開環(huán)控制，根據(jù)轉(zhuǎn)速信號和節(jié)氣門位置信號對事先制取的燃?xì)釳AP圖進(jìn)行取值操作；當(dāng)發(fā)動機(jī)處于穩(wěn)定工況時，采用閉環(huán)控制，根據(jù)閉環(huán)系統(tǒng)氧傳感器反饋的信號，采取不同的控制策略實時控制，使空燃比達(dá)到理想狀態(tài)53。山東理工大學(xué)李光舉針對8300發(fā)動機(jī)燃用煤層氣設(shè)計了一套燃?xì)獍l(fā)動機(jī)空燃比控制系統(tǒng)。系統(tǒng)機(jī)構(gòu)圖如圖10所示。為了使穩(wěn)定工況時空燃比的平均值接近理論空燃比，發(fā)動機(jī)工況突然變動造成空燃比偏離目標(biāo)值時，系統(tǒng)可以迅速響應(yīng)將空燃比控制到目標(biāo)值，同時防止發(fā)動機(jī)瞬態(tài)工況下排放惡化等情況，提出了基于CMAC和PID并行控制的空燃比方法54

53、。之后，李玉明針對燃用煤層氣的8300發(fā)動機(jī)，對基于PID控制和CMAC+PID并行控制的兩種策略進(jìn)行了仿真，由仿真結(jié)果看出，后者較前者穩(wěn)態(tài)誤差小，控制精度高。CMAC+PID并行控制系統(tǒng)（圖11）采用小腦模型控制與并行控制，小腦模型控制進(jìn)行前饋控制，實現(xiàn)被控對象的逆動態(tài)模型控制，PID 常規(guī)控制器實現(xiàn)反饋控制，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，且抑制擾動，使得系統(tǒng)在高反應(yīng)速度和非線性條件下具有較好的穩(wěn)定性和魯棒性55。圖10: 燃?xì)獍l(fā)動機(jī)空燃比控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖圖11: CMAC和PID并行控制的發(fā)動機(jī)空燃比控制結(jié)構(gòu)框圖合肥工業(yè)大學(xué)劉一鳴等針對由S195柴油機(jī)改造來的煤層氣發(fā)動機(jī)提出了雙蝶閥控制策略。進(jìn)氣結(jié)

54、構(gòu)系統(tǒng)如圖12所示。在過渡工況開環(huán)控制方案中，采用了基于比值控制器的雙閥控制?？刂瓶驁D如圖13所示。ECU控制過程中，根據(jù)節(jié)氣門開度和發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速從MAP圖中讀取燃?xì)忾y開度作為控制系統(tǒng)的輸入。比值計算器中的比例系數(shù)由空氣閥和燃?xì)忾y配比曲線擬合得到。穩(wěn)態(tài)工況下控制結(jié)構(gòu)采用“前饋一反饋”模式，前饋部分即基于比值控制器的開環(huán)控制。反饋部分是基于氧傳感器的PID閉環(huán)控制，通過步進(jìn)電機(jī)控制空氣閥開度，因為此時調(diào)整量較小，只需對空氣閥進(jìn)行調(diào)整就能快速的實現(xiàn)控制的目的。控制圖如圖14所示56。圖12: 煤層氣發(fā)動機(jī)進(jìn)氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖13:基于比值控制器的空燃比控制方框圖圖14: 發(fā)動機(jī)空燃比控制方框圖東南大學(xué)朱文

55、俊等對燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組空燃比調(diào)節(jié)子系統(tǒng)進(jìn)行了軟硬件的設(shè)計。該系統(tǒng)是一種可滿足低熱值氣體安全發(fā)電的基于DSP的燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組智能化空燃比調(diào)節(jié)子系統(tǒng)。他們采用自適應(yīng)PID控制策略，根據(jù)空燃比和轉(zhuǎn)速的變化，實時準(zhǔn)確控制發(fā)動機(jī)燃?xì)夂涂諝膺M(jìn)氣量，實現(xiàn)了各種熱值下燃?xì)馀c空氣量自適應(yīng)調(diào)節(jié)及發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)速的精確控制，提高了燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組的發(fā)電了效率57 58。Luhman D J 開發(fā)了帶有三元催化轉(zhuǎn)化器的預(yù)混合式LPG發(fā)動機(jī)閉環(huán)空燃比控制系統(tǒng)，進(jìn)入混合器的燃?xì)饬髁坑梢粋€步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動的燃?xì)庥嬃块y來調(diào)整59。Kerxhalli D M和Parker J K研制了電控天然氣混合器，利用以Intel 8031為核心的微控制器

56、，根據(jù)排氣氧傳感器提供的信息，通過步進(jìn)電機(jī)調(diào)節(jié)混合器膜片的預(yù)載荷，采用“bang-bang”控制策略，對空燃比實施閉環(huán)控制，有效提高了瞬態(tài)空燃比的控制響應(yīng)性60。Baik D S等人針對混合器入口設(shè)有燃?xì)忾y的預(yù)混合式LPG發(fā)動機(jī)，采用基于氧傳感器反饋的PID控制算法，通過提供不同的占空比信號控制燃?xì)饬浚贑VS-75模式下進(jìn)行了發(fā)動機(jī)性能和排放特性試驗，結(jié)果表明有害排放物明顯降低61。綜上所述，沼氣發(fā)動機(jī)精確控制空燃比的難點在于：1）變工況時，空燃比可以很快的調(diào)節(jié)到理論值；2）當(dāng)氣體燃料組分、濃度、壓力等變化時，空燃比可以得到有效的調(diào)節(jié)；3）穩(wěn)定工況時，將空燃比控制的理論值附近，使平均空燃比接

57、近理論空燃比。對于啟動，變工況和加速時，需要過濃的混合氣，因此一般采用開環(huán)控制，開環(huán)控制反應(yīng)速度較快，但控制不夠精確；穩(wěn)定工況時，需要精確調(diào)節(jié)空燃比，一般采取閉環(huán)控制。目前國內(nèi)正在將模糊控制理論和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制理論應(yīng)用在氣體發(fā)動機(jī)上，并且正在向智能化發(fā)展。針對沼氣的性質(zhì)，選擇和開發(fā)合適的控制策略也成為我們關(guān)注的焦點。3 總結(jié)鑒于我國能源和環(huán)境問題的突出，以及我國汽車和發(fā)動機(jī)行業(yè)的快速發(fā)展，探尋清潔環(huán)保的代用燃料已經(jīng)成為迫在眉睫的問題。在眾多的代用燃料中，沼氣以其資源廣泛、廢物利用、價格便宜、燃燒完全、排放清潔等特點受到人們的廣泛關(guān)注。因此，沼氣發(fā)動機(jī)也日漸被人們所重視。目前，沼氣發(fā)動機(jī)主要作為發(fā)

58、電機(jī)組或熱電聯(lián)產(chǎn)設(shè)備，已被廣泛用于城市垃圾處理廠、污水處理廠、養(yǎng)殖場、酒廠等沼氣資源比較豐富的地區(qū)。本文主要是對沼氣的性質(zhì)以及沼氣發(fā)動機(jī)的發(fā)展、應(yīng)用、改裝、增壓、進(jìn)氣系統(tǒng)和空燃比控制策略進(jìn)行了研究。對沼氣發(fā)動機(jī)的總結(jié)如下：1. 沼氣發(fā)動機(jī)的改裝沼氣發(fā)動機(jī)主要是由現(xiàn)有的柴油機(jī)和汽油機(jī)改裝而成。根據(jù)沼氣的特性，在火花點火式沼氣發(fā)動機(jī)改裝過程要注意以下幾個問題：1） 沼氣的辛烷值較好，抗爆性較好，可提高壓縮比。汽油機(jī)改裝一般要將其壓縮比提高，柴油機(jī)改裝要將其壓縮比降低。2） 沼氣燃燒速度較慢，后燃嚴(yán)重，要采用快速燃燒系統(tǒng)。如采用風(fēng)扇形燃燒室等。3） 沼氣燃燒溫度較高，需采用高能點火系統(tǒng)。汽油機(jī)改裝要更換高能點火系統(tǒng)，柴油機(jī)改裝將噴油器換為火花塞。點火提前角要重新調(diào)整。4） 進(jìn)氣系統(tǒng)改裝，要對沼氣進(jìn)行前處理，如脫水、脫硫等。進(jìn)氣管要加大，對多缸機(jī)各個進(jìn)氣歧管應(yīng)布置一直，保持各缸進(jìn)氣均勻。加裝沼氣-空氣混合器。