活塞式内燃机燃用沼气的研究

活塞式内燃机燃用沼气的研究

第24卷第5期

2003年1O月

太阳能学报

ACTA ENERGIAE SOLARIS SIN ICA

V0I．24．No．5

Oct．，2003

文章■号：0254—0096 (2003)05—0688-05

活塞式内燃机燃用沼气的研究

熊树生，楚书华，杨振中

(浙江大学机械与能源工程学院动力机械及车辆工程研究所，杭州310027)

摘要：简要介绍了沼气的产生、成分、物理化学性能以及活塞式内燃机燃用沼气可能发生的燃烧速鏖慢、后燃严

重、排气温度高与热负荷大等问题，提出了掺烧和快速全烧两大措施；并相应研制出沼气一柴油双燃料发动机和火花

点火全沼气发动机发电机组来适应这两种燃烧方式，取得了较好效果。最后提出将沼气提纯、加压，使其性能接近压

缩天然气来作为汽车燃料的方案。

关t 词：柴油一沼气发动机；全沼气发动机；快速燃烧

中圈分类号：TK6 文献标识码：A

0 沼气的物化性质及沼气应用于发动

机的主要问题

沼气是由有机物质在厌氧条件下发酵制取出来的。

因此多种有机物尤其是废弃的有机物如城市生活垃

圾和污水、工厂有机废料和下料、农村动植物废弃

物和人畜排泄物等都是制取沼气的最好原料。利用

上述物质制取沼气具有多重效益：1)实现了垃圾、

废物的利用，减少了环境污染，是城市垃圾处理的

最好途径；2)利用废弃物生产出了宝贵的能源；3)

避免了有机垃圾的露天存放或焚烧，减少了排向大

气的甲烷(甲烷的温室效应是二氧化碳的27倍)，

缓解了大气温室效应；4)生产出优质的肥料。

生产的沼气可用于气源附近的居民生活用气，

由于输气管网铺设成本较高，通常是在气源附近建

立以沼气发动机发电机组为核心的发电站，燃烧沼

气产生电能，进行发电，可缓解当地电力紧张，还

可热电联产，提高整个系统的热效率。就用于发电

而言，与采用其它动力装置(如燃气轮机、蒸汽轮

机)相、比，用气体发动机燃烧气体燃料，还具有能

量利用率高的优点，且资金投入少，操作维护简

便，技术性和经济性上的优势很明显。图1是沼气

发电机组系统布置图。

沼气的主要成分是甲烷和二氧化碳，其中甲烷

含量一般为：55％～75％，二氧化碳含量：24％～

44％，此外，还有氮气和少量的硫化氢及一氧化碳

收一日期：2002．05。11

等其它气体。沼气中甲烷燃烧速度较慢(37．3cm／

S)，再加上大量存在的二氧化碳对燃烧有强烈的抑

制作用，造成沼气的燃烧速度很慢(约为23cm／s)。

这样使得活塞式内燃机燃用沼气时，急燃期燃烧的

沼气量少，后燃期燃烧的量增多，整个燃烧期加

长，甚至有部分燃料在排气过程中燃烧。沼气燃烧

的

另一个特点是着火温度高，因此在沼气发动机中产生末端气体自燃的情况少，沼气具有很好的抗爆

性。综上所述可知，沼气燃烧速度慢，是造成沼气

发动机燃烧持续期长，燃烧效率低，后燃严重，可

靠性与经济性差的根本原因。为了解决沼气发动机

燃烧速度慢、后燃严重、排气温度高与热负荷大等

问题时，可采取柴油引燃和采用快速燃烧系统等

措施。

图1 沼气发电机组系统布置图

Fig．1 System of biogas power generator

本文采取掺烧和全烧两种方式来直接利用沼气

作为活塞式内燃机燃料，根据沼气不同的燃烧方式

采用不同的发动机形式，即：沼气一柴油双燃料发

动机和火花点火全沼气发动机。另外提出将沼气提

纯、加压、将发动机改造成高性能汽油／沼气可相

5期熊树生等：活塞式内燃机燃用沼气的研究689 互切换的两用燃料发动机，将沼气提纯后作为汽车燃料的新方案。下面分别加以介绍。

1 沼气一柴油双燃料发动机的原理与

工程应用

沼气一柴油双燃料发动机是在柴油机的基础上，改装进气混合系统和双燃料调节系统。其工作原理是将沼气与空气在混合器中形成可燃混合气，吸入气缸后，当活塞压缩接近上止点时，向燃烧室内喷入少量引燃柴油，柴油燃烧后点燃缸内混合气进行燃烧做功。双燃料发动机在正常运行情况下，其引燃柴油量在8～20％(单位时间内引燃油耗量与改装

前该发动机在额定工况下柴油耗量的比值)之间。

双燃料发动机的特点是在燃气不足甚至没有的

情况下可增加进行燃烧的柴油量，甚至完全烧柴油，以保证发动机运行正常。因此，使用起来比较灵活，适用于产气量较少的场合(如农村地区的小

沼气工程中)。这种方案的最大优点就是可以利用

少量的引燃柴油压燃后点燃沼气。因为哪怕只有

5％左右的柴油，其着火能量就会大大高于火花点

火的能量，就有可能使沼气的着火滞后期乃至整个燃烧期缩短，从而解决沼气机的严重后燃、高排温与热负荷大等问题。

我们在福州承接的两个沼气发电工程就是采用

双燃料发动机方案，该双燃料发动机在6135柴油

机上改装而来，其结构如图2。在原机进气管上加

装混合器(如图3)，从两个进气管路分别流入沼气

和空气，在混合室内形成混合气，通过混合气阀进入发动机气缸。混合器中的沼气阀用以调节空燃比，混合气阀用以调速、改变功率，与调速器相连，空气阀则在起动发动机时使用。另外在原柴油机高压油泵上加装一油量控制机构，使得发动机工作在双燃料状况时，柴油喷油量减少到

设定值。机

组匹配75kw 发电机，工程基于沼气工程规模为日产沼气1000m3，甲烷含量为65％，沼气的热值为5500kcal／m3的情况。机组开始时用柴油起动，有沼气时，柴油自动减少直至引燃油量为止。沼气不足时，柴油能自动增加，直至全柴油工作。为了保证未经改动的原柴油机喷油嘴工作可靠，发动机能