生物制氣發動機最大扭矩轉速燃燒排放分析

黃曉燕

(北京優奈特燃氣工程技術有限公司，北京 100124)

闡述了采用氣化爐熱解氣化各種農林廢棄的生物質，得到可燃生物制氣。將柴油機改制成柴油/生物制氣雙燃料發動機進行試驗，用生物制氣作為主要燃料，由柴油引燃。測量生物制氣/柴油雙燃料發動機在最大扭矩轉速時的氣缸壓力及廢氣排放，探討燃燒特性及對排放物生成的影響，并對比分析柴油機與雙燃料發動機的差別。

1 生物制氣簡介

熱作用下，含有大分子的生物質體分解產生小分子氣體，例如氫氣、甲烷、乙烷等氣體，一氧化碳的則是由水氣和碳高溫的水碳反應產生，其他組分也是熱分解產生。此外，因是高溫產出氣體，在高溫下該氣體攜帶了部分熱量，富含氫氣和一氧化碳，混有水分和揮發油類和粉塵等。冷卻后，氫氣和一氧化碳濃度進一步提高，經過處理后可用于燃燒或用于化工合成等。

2 試驗分析

2.1 燃燒特性參數的變化規律

圖1 分別為柴油機和雙燃料發動機在n＝1650r/min，Pme=0.75 MPa 工況下的Pn 和放熱規律對比圖。由圖可知，雙燃料發動機在最大扭矩點工況，Pn 和壓力升高率(λp) 均比柴油機低，燃燒始點延遲，最大放熱率(dQ/d漬) max 較高。著火后，已混合好的大量可燃混合氣迅速燃燒，與燃用柴油時的擴散燃燒相比，一旦著火后就釋放出大量熱量， (dQ/d漬) max 比柴油機高，后燃較多，tr也比柴油機要高。

圖1

1）Pmax的變化規律。燃料Pmax的變化趨勢隨負荷的增大，各種燃料的Pmax均呈增長趨勢；在10%負荷情況下雙燃料發動機Pmax與柴油機相當；而隨著負荷的逐漸增大，柴油機的Pmax上升速率高于雙燃料發動機。柴油機的Pmax高于雙燃料發動機，導致最高燃燒溫度也高，是雙燃料發動機NOx排放值低于柴油機的一個重要原因。

2） λpmax 的變化規律。由兩種燃料最大扭矩點轉速下負荷特性的λpmax 對比可知，在75%的負荷下柴油機的λpmax 達到最大，之后下降，表明過濃的柴油混合氣不利于燃燒的迅速進行，只有適中的混合氣濃度才適宜迅速燃燒。雙燃料發動機λpmax 低于柴油機。

2.2 最大扭矩點轉速下各負荷工況的排放性能

1） NOx 排放的變化趨勢。根據高溫NOx 的反應機理，產生NOx 的要素是溫度、O2濃度和反應時間；在足夠的O2濃度下，溫度越高、反應時間越長，生成的NOx 就多。由于生物制氣中存在著大量CO2和N2，缸內O2濃度比柴油機要低，噴油量少，壓力低，霧化差，導致缸內溫度增加緩慢，燃燒速度較低，燃燒壓力和溫度比柴油機低，所以NOx 排放比柴油機低。

2） THC 排放的變化趨勢。在最大扭矩點轉速的整個負荷范圍內，雙燃料發動機的THC 排放量遠大于柴油機。其原因為供生物制氣的過程是一連續過程，有一部分未燃燃料隨排氣排出，使排氣成分中未燃CH4數量增多，排氣成分中THC 總量增大。燃燒時O2濃度比柴油機低很多，且雙燃料發動機燃燒速度緩慢，后燃嚴重，因而CO 和THC 排放高。隨負荷的增大，柴油機和雙燃料發動機的THC 排放值均呈下降趨勢。雙燃料發動機滿負荷的THC 排放量是10%負荷的1/6，說明其在低負荷下，由于混合氣濃度較稀，生物制氣燃燒過程有猝滅的可能。

3） CO 排放的變化趨勢。柴油機的CO 排放量低于雙燃料發動機，其原因與THC 有些相似，供給生物制氣的過程是一連續過程，有一部分未燃CO 隨排氣排出，使排氣成分中未燃CO 數量增多，燃燒時02濃度相對柴油機很低，從而CO 的排放較柴油機要高。隨著負荷的增加，柴油機和雙燃料發動機燃燒產生的CO 排放量都趨于降低，但在滿負荷時突然升高。在低負荷時，缸內的O2含量雖相對較高，但由于混合氣較稀薄，燃燒反應能量不足，從而產生較多的CO 排放。

4) 煙度的變化趨勢。從以上分析可知，雙燃料發動機的煙度低于柴油機。10%負荷時，柴油機缸內溫度低，燃燒組織不好，燃料及竄入燃燒室中的機油未完全燃燒，從而煙度較大；在25%和50%負荷時，煙度較10%負荷時有較大的降低，即中負荷時煙度較低；在75%和100%負荷時煙度較高，這是因隨著負荷的增加，過量空氣系數減小，燃燒向缺O2方向發展，從而煙度增加。雙燃料發動機的煙度隨著負荷的增加而升高，其原因是生物制氣與空氣預混均勻進入氣缸燃燒，柴油根據發動機的負荷增加而增加，在小負荷時，參與燃燒的燃油較少，主要燃燒生物制氣與空氣的均勻混合氣，所以煙度較低；隨著負荷的增加，循環噴油量增加，和柴油機相似，煙度升高。

3 結語

生物制氣是通過熱化學反應由固體生物質轉換而得到的，主要的原料為各種農業廢棄物和薪柴等林業廢棄物。生物質經氣化爐缺O2燃燒熱解氣化后產生可燃生物制氣，主要成分包括N2、CO2、O2、H2、CO、CH4、HC 及焦油等。生物制氣的熱值較低，并存在著大量不可燃氣體，對燃燒有強烈的抑制作用。