燃气发电机组的应用与空燃比控制

燃气发电机组的应用与空燃比控制
本文主要介绍了以沼气为燃料的燃气发电机组工作原理，混合器组成结构及空燃比控制等。

燃气发电机组使用燃气发动机为固定动力源，混合器是燃气发动机的重要部件，它能有效控制燃气的空燃比。

研究燃气发动机空燃比控制对排放有着积极的意义。

下面对燃气发电机组工作原理和空燃比控制作详细评述。

1燃气发电机组工作原理
燃气发电机组是以燃气机发动机驱动发电机发电，燃气发动机采用低压喷射供气方式主要用在压缩比低的点燃式气体燃料发动机上。

工作原理：它分为四冲程、点燃式、水冷高速机。

燃气发动机为直列型，气缸体底部安装铸铁油底壳，气缸中安装有盆形燃烧室的活塞连杆，机体主轴承孔中安装有带滚动主轴承的盘形组合式曲轴，体积右侧(面向飞轮端看)内部配置有凸轮轴和配气机构，发动机前端齿轮室内布置有传动机构，左侧安装有点火系统、电子调速系统、进气系统，右侧安装有排气管、机油滤清器、机油冷却器、起动电机和充电发电机，水泵安装在前端，机油泵安装在油底壳内机体前端部位。

发动机工作原理：燃气发动机的工作过程可大致分为四个冲程，其顺序为：进气冲程、压缩冲程、作功冲程、排气冲程。

(1)进气冲程。

在进气冲程中，连杆带动活塞下行，进气门开启，排气门关闭。

经空气滤清器过滤的空气和沼气通过混合器均匀混合后，被吸入气缸，下行的活塞到达下止点时，气缸内部充满混合气。

(2)压缩冲程。

曲轴在飞轮惯性作用下被带动旋转，通过连杆推动活塞由下止点向上止点运动，同时进排气门关闭，混合气被压缩。

(3)作功冲程。

活塞运动到上止点时，火花塞在点火信号发生器和点火线圈所产生的高压电流作用下产生火花，点燃气缸内的沼气。

燃烧时产生的高温、高压气体推动活塞下行，通过连杆带动曲轴旋转，对外作功传递扭矩。

(4)排气冲程。

活塞从下止点往上止点运动，此时排气门打开，进气门关闭。

汽缸内燃烧后的废气被活塞推出，沿排气道排出气缸外。

2燃气发电机组组成
燃气发电机组由燃气供给系统，电子调速系统，点火系统，控制系统等组成。

燃气供给系统发动机的重要部件，而燃气供给系统的关键部件是混合器，它能有效控制空燃比，对发动机排放起着至关重要的作用，以下着重对燃气供给系统及其混合器进行介绍。

燃气供给系统主要由减压阀、防爆阀、空气滤清器、混合器等组成。

2.1减压阀
减压阀是稳压系统主要部件，主要由弹簧、膜片组、上壳体、下壳体，杠杆组和阀门组等组成。

无论燃气的气源压力上升还是下降，减压阀后的气体压力都可以保持基本不变，从而保证了燃气发动机在整个工作过程中都具有稳定的进气压力。

增加弹簧膜片组中弹簧的预紧力，相当于增加了阀门组的开度，从而提高了减压阀后的燃气压力。

减小弹簧预紧力时，相当于减小阀门组的开度，从而减小了减压阀后的燃气压力。

当减压阀安装时，应使其上箭头与气流方向一致。

2.2防爆阀
沼气爆炸的危险性远比柴油高，所以燃气发动机要有可靠的防火、防爆及其它的安全防护措施。

为此，应在沼气进气管一端设计了一个防爆消焰器，发动机正常运行时，弹簧的弹力大于管内混合气压力，使密封板紧贴在O形密封圈上，保证密封，进气管产生回火时，进气管内的压力大于弹簧压力，而将密封板推开，喷出的火焰通过小间隙的散热片时既能灭火又能使进气管泄压。

2.3混合器
混合器是进气系统的一个关键部件。

其主要功能是：将沼气和空气在进入气缸前进行均匀混合。

燃气发动机采用的是等真空度混台器，其作用主要是使空气和沼气有效的混合，并控制空气和沼气的混合比，即空燃比，在发动机整个运行过程中基本不随工况的改变而变化，能很好的适应燃气发动机的工作要求。

在进气管和空气滤清器之间安装混合器，沼气经减压阀等装置以一定的压力进入混合器，由混合器对空燃比进行控制，混合器的结构及其原理图如图1所示。

1-燃气阀；2-混合器挡板；3-控制电机；4-撑杆；5-执行器
图1.燃气机进气系统混合气
从图1看出，混合器主要由燃气阀、混合器挡板、控制电机、撑杆、执行器、弹簧、滑轨等组成。

当燃气发动机运行时，气缸内的压力通过通路和混合器挡板下端相连，活塞下行时，气缸内的压力降低，在大气压力与缸内压力的压力差的(混合器挡板下端)作用下，空气通入混合器，同时控制器控制执行器，使燃气阀打开。

空气和沼气同时进人混台器，经混合后进入发动机气缸内燃烧。

混台器怠速螺钉的主要作用是控制在空气阀组开口处附近进入的空气。

当怠速螺钉打开时，空气阀组部分关闭，因而燃气计量阀也随之关闭，使怠速运行时的空气、沼气的混合气变稀。

燃气阀是用来调整进入混台器的沼气进气量的。

当其上的刻线由L向R变化时，混合器将变浓，反之将变稀。

当发动机在运行状态时，沼气和空气在混合器中能有效混合，沼气进气量通过燃气阀进行控制，通过系统分析计算，控制器发出信号给控制电机，控制电机控制燃气阀开度，使沼气和空气按照一定的比例，即最佳的空燃比混合，经过混合之后混合气进入气缸燃烧。

当燃气发动机停止运行时，控制器控制电机转动，使燃气阀关闭，同时控制执行器动作，执行器通过撑杆驱动混合器挡板转动，进而关闭混合器的混合气进气，这样空气和沼气通路均被关闭，此时发动机停止运行。

混合器能适应甲烷浓度为30%～70%的沼气，且空气和沼气混合后通过控制器可自动调节最佳空燃比，结合独特设计的燃烧室，沼气可得到充分燃烧，降低消耗，提高了发动机的热效率，有效降低排放气体中CO、HC、NOx等有害气体，达到相关排放标准。

3空燃比与排放
空燃比：空燃比A/F(A:air-空气，F:fuel-燃料)表示空气和燃料的混合比。

空燃比是发动机运转时的一个重要参数，它对尾气排放、发动机的动力性和经济性都有很大的影响。

为使废气排放达到最佳，在发动机排气管中安装氧传感器并实现闭环控制，其工作原理是氧传感器将测得废气中氧的浓度转换成电信号后发送给控制器，使发动机的空燃比控制在一个狭小的、接近理想的区域内，由于混合气成分的不同，使燃烧速度产生很显著的差异，结果产生不同的排气成份，燃气机空燃比与排气有害成分的关系如图2所示。

图2.排气中的CO、HC、NO浓度与空燃比的关系
从图2可以看出，供给浓混合气时，NO减少而CO、HC增多；供给略稀的混合气时(经济混合比附近)，CO、HC减少而NO增多；供给稀混合气时，CO减少而HC增多。

从发动机负荷分析表明，发动机满负荷时，燃烧不完全，生成的CO量增多；中等负荷时，混合气略稀，燃烧效率最高，CO、HC减少但NOx增多；在怠速和小负荷时，NOx排放量减少而CO和HC显著增多。

图3是某燃气机在2000r/min下变负荷时(即改变进气管压力)测定的负荷排放特性曲线。

图3.燃气机的负荷排放特性
由图3可见，CO随负荷增加而降低，当进气管压力高于75kPa时，CO又开始上升，其原因供给混合气的空燃比随负荷增加而变稀，到进气管压力高于某个值后，空燃比又因混合气加浓装置起作用而变浓。

HC和CO有大体相同的变化趋势，当燃烧室温度随负荷增加而升高，使缸壁激冷层厚度变薄，HC排放减少，当加浓装置起作用时，排放增加；NO的变化趋势与CO、HC相反，当负荷增加时，最高燃烧温度随之升高，混合气又变稀，又有充分的氧，为NO生成提供了条件，所以随负荷增加上升较快。

根据高温NO的反应机理，产生NO的要素是温度、氧浓度和反应时间，在足够的氧浓度下，温度
越高、反应时间越长，生成的NO就多。

由于燃气发动机的燃烧速度慢，燃烧温度较低，因此NOx 比柴油机低得多；沼气因含有大量的CO2(20%～50%)，且含有一定量的CO成分，燃烧时氧气浓度相对低于柴油机，因而CO和HC的排放相对较高；同时沼气中含有H2S成分，燃烧后会形成SOx，排入大气中，会形成酸雨，危害极大，所以沼气在进入燃气发电机组前必须进行脱硫处理，这样不但可以减少发动机的腐蚀，延长寿命，而且可以减少有害含硫物的排放。

同时，要有效控制排放必须保证最佳的空燃比。

实现最佳的空燃比，关键是要保证氧传感器工作正常。

若使用不当，会造成氧传感器积碳、陶瓷碎裂、加热器电阻丝烧断、内部线路断脱等故障。

氧传感器的失效会导致空燃比失准，排气状况恶化，催化转化器效率降低，长时间会使催化转化器的使用寿命降低。

4结论
单燃料发动机又称为全烧式发动机，在燃气产量大的场合可连续稳定地运行，适合在大、中型沼气工程中使用，由于沼气与其他燃气的组分、热值、物理性能、着火温度、爆炸极限、燃烧特性存在很大差异，当利用燃气发动机燃烧沼气时，需对发动机的相关部件进行必要的调整或改装，还应根据发动机对空燃比和调节特性的要求，确定沼气相应的阀芯。

燃气发电机组调试的目的是根据现场实际的沼气特性，将空燃比调整到最佳范围，使发动机达到设计的性能指标。

而在调试过程中可采用锐意自控自主研发的便携沼气分析仪对沼气成分和空燃比进行随机监控，以便进行适当的调整。

由于沼气来源广泛，且具有较高的热值及较好的抗爆性，经济和效率较高等特点，若燃气发电机组的尾气排放达到要求，燃气发电机组的应用将会十分广阔。