沼气-汽油混合发动机研究

杜丹丰，牛文林，郭秀荣

（东北林业大学交通学院，哈尔滨 150040）

当今世界，能源问题是最关键的问题之一，最近几年不断增加的原油价格时刻威胁世界经济的稳定，特别是发展中国家的经济稳定。另外，燃烧产品含有污染物，如CO、HC、NOx、烟尘等严重危害人体健康，而燃烧的主要产品CO2又是温室效应气体。针对此种状况，各国都在寻找和开发低排放新能源。

沼气是一种在厌氧条件分解有机物质且二氧化碳排放低的燃料。沼气主要含有甲烷（50%～80%）、CO2（15%～45%）和其他杂质，如硫化氢。如果将沼气中的杂质提炼，就可以将其变成与天然气性质相同的燃料。发达国家如美国、法国、德国、丹麦等早已利用垃圾填埋场沼气发电。在发展中国家，沼气生产技术的家庭使用已经成为流行趋势，尤其是在印度、中国和东盟国家［1］。

目前，在中国农村地区沼气能源大多用于烹饪。然而，不断增长的能源需求进一步推动家庭能源的发展，促使沼气发电设备在以农业为基础的行业中使用。发展和应用沼气发电技术，使用以沼气作为燃料的小功率内燃机，可满足电力需求，提高收入以及保护当地环境。本文从专门的燃料供应系统方面对沼气 汽油混合发动机进行研究。

1 理论建模

一般情况下，碳氢化合物的燃烧模型可表达如下：

假设燃烧物质在热力学平衡状态，发动机燃烧室模型应用需要火焰传播规律。由于燃烧室壁产生变形，假定火焰前锋是球形。这里计算燃烧室燃烧应用双区模型［2］，将混合物和燃料燃烧的火焰分开。在燃烧室内流体热力学状态［3］可由以下方程表示：

式中：V、T、p、R、θ、cv、Q分别表示压力、温度、体积、气体常数、曲轴转角、比热容、内能，下标 b、u分别表示已燃、未燃。计算应用到发电机组用KG144型单缸汽油发动机，功率为1.45 kW，压缩比为8.5，缸径和行程分别51 mm和42 mm，排气量53.5 mL。沼气含有80%的CH4，汽油为93＃无铅汽油。图1比较了发动机在汽油和沼气推动下气缸燃烧压力的变化，可见最大燃烧压力比汽油供给时低10%左右［4］。

图1 发动机汽油在汽油和沼气推动下气缸燃烧压力变化比较

图2 列出了不同甲烷浓度下的沼气燃料燃烧室压力变化。结果表明，最大的压力增加10%时，沼气中甲烷浓度值从60%增大到80%。当甲烷浓度大于60%，沼气可以直接适用于发动机。在一些沼气池，甲烷浓度低于该值［5］。在这种情况下，低负荷时直接使用沼气启动发动机非常困难。因此，沼气 汽油混合发动机是最好的解决方案。

2 实验

利用沼气作为燃料的发动机，需要首先过滤产生的气体，消除杂质（称为沼气过滤），其中H2S和 CO2是主要物质［6-8］。沼气 汽油混合发动机沼气供应系统见图3。

图2 不同甲烷浓度下的沼气燃料燃烧室压力变化

图3 沼气 汽油混合发动机沼气供应系统

该系统的主要特点是汽油喷射封闭。汽油系统在发动机工作时只有启动和怠速时供油。沼气通过流量控制阀提供给发动机，在启动和怠速工况时，发动机燃料为汽油。当负载增加，蝴蝶混合阀被打开，喷油器真空空转下降，使汽油喷射停止而流量控制阀逐渐打开，发动机开始使用沼气来运行。

图4 混合阀和沼气控制阀之间动作关系

有了这个系统，发动机可以在启动时轻松运行，在空转状态下稳定运行，特别是在应用缺乏CH4的沼气燃料时。沼气阀圆锥针位移l和混合阀阀板转角β之间的关系可由下式计算：

式中：SO、SV分别为进气管截面积和阀板面积；φ是混合物的同等比例；C是沼气和空气质量比；ρB、ρm分别是沼气和混合物的密度；ΔPB、ΔPm分别为沼气阀和混合阀上下游的压力差；D是沼气阀孔直径；α是沼气阀圆锥针锥角。

喷油器的直径根据沼气消耗量来进行计算。实验中，沼气流动与供应的压力和喷孔直径之间的关系如下：

式中：Q为沼气流量（m3／s）；ΔP为沼气存储袋压力（N／m2）；d为注射器直径（m）；K为常数。研究表明，K＝0.45。

图5 沼气 汽油混合发动机CO排放比较

发电机供应负荷小组由500 W的电灯泡启动后，发动机在怠速工况运行时，发电机输出电压约40 V。提高发动机转速后，得到的输出电压为220 V。此时，发动机开始使用沼气来运行。当打开或关掉500 W的灯泡时，电压波动小于正常电压的5%，满足电力生产质量要求。

比较不同情况下发动机燃用汽油和沼气时的排放水平，污染测量结果如图6和图7所示。测量数据时，进行了变负荷模式。结果表明，在运行时排气中的污染物浓度产生了非常少量的变化，发动机（约0.07%的CO和30×10-7的HC）减少了78%的CO和60%的HC排放。

发动机消耗1 m3沼气可生产1 kW·h的电力。1 kW发电机在10 h内发动机消耗5 L的汽油，CO2排放量是2.31 kg／liter。上述1 kW发电机运行10 h／d，发动机 CO2排放量为 11.55 kg／d或3.5 t／a。因此，电力生产1 kW·h的沼气将有助于减少1 kg CO2排放量。如果在发动机上沼气，可以减少CO2排放约3.5 t／a。如果使用沼气发动机，每年可以减少35.00 t的CO2排放量，这对缓解全球变暖是一个相当大的贡献。

图6 沼气 汽油混合发动机CO排放比较

图7 沼气 汽油混合发动机HC排放比较

3 结论

在中国农村地区沼气能源的潜力很大，使用这种能源对解决国家能源与环境问题将是一个重要的贡献。采用沼气-汽油混合燃料供应系统，生产1 kW·h电力，发电机输出电压的波动小于正常电压的5%。沼气-汽油混合发动机每消耗1 m3的沼气，有助于减少1 kg的CO2排放量。采用双动调节器可以提供良好的、稳定的发动机转速。