沼气发动机文献综述

式喷柴油点火。若将柴油机改烧沼气，须作如下几项工作：(1) 确定为降低压缩 比及燃烧室形状所必需的机器改装；(2) 设计沼气的进气系统和沼气一空气混合器机构；(3) 设计气体调节系统及其与调速器相配的联动机构；(4) 设计点火系统。若是由汽油机改烧沼气则不需再作(1) 、(3) 、(4) 项工作[18]。

国内外对沼气发动机的改装做了大量的研究。

李会芬等以沼气作为小型汽油机的燃料在165F汽油机上进行了燃用沼气的改装试验，初步得出沼气作为小型汽油机的燃料是可行的[20]。广西大学周从钜等人将165F柴油机改装成沼气-柴油双燃料发动机，将其性能与原机对比，实验研究证明在原机压缩比不变，增大进气量，控制空燃比及增大供油提前角等技术措施下，沼气发动机能取得节油效果，其动力性接近原机指标[7]。江苏大学汽车与交通工程学院的盘朝奉等人对165F汽油机进行改装后燃用沼气进行了试验研究，并搭建了沼气实验装置平台如图4所示[19]。实验表明将汽油机的磁电机点火装置改成蓄电池点火装置，加装沼气-空气混合器，加大进气管，沼气发动机燃烧纯沼气能够正常启动，低转速范围动力性能较好，使得装备磁电机点火装置的沼气发动机难以启动的问题可以解决。另外，通过提高压缩比和增大点火提前角，发动机性能可得到一定的优化，接近原机燃用汽油的动力性指标。在较大的转速范围，发动机的输出功率和转矩随压缩比和点火提前角的增大而增大。熊树生等利用快压机对沼气燃烧的过程进行了模拟，提出了火花点火沼气发动机性能的快速燃烧方法，设计出了包括燃烧室在内的快速燃烧系统， 并将其用于6160

图4：沼气发动机实验装置

沼气发动机发电机组的开发[16]。目前较成熟的国产沼气发电机组的功率规格主要集中在100-500kW这个区段，根据沼气建设发展趋势分析和对沼气发电设备

的市场需求调查，对大于和小于这个区段规格的发电机组的需求正在增长。刘振波等人根据农村户用沼气池的系统特征和沼气的燃烧特性，设计研制了功率分别为700、l800、3800、4800W等系列的户用沼气发电装置[21]。陈志强等人测试了不同天气情况下沼气成分的变化，并将汽油机加装自制的沼气-空气混合器改装成沼气发动机，在此基础上开发出一种小型沼气发电机，并对该机进行了测试，对今后沼气发电机的开发提出了建议[22]。天津大学赵勇对6160Q柴油改装沼气发动机进行了研究，他在6160A型柴油机的基础上重新设计了汽缸盖、活塞连杆，并相应的增加了燃气供给系统、高能点火系统、电子调速结合组等一系列技术措施，将其改装成燃气发动机[23]。广西大学的莫德赟将汽油机改装成汽油-沼气双燃料发动机，设计了空气混合器，对空燃比和汽油量的控制采用的是开环控制策略电控的方法[6]。

Duc等人研究了沼气发动机的性能、柴油燃料的替代、能量消耗和长期的使用效应，结果显示：使用沼气-柴油双燃料除了降低发动机的能量转换效率，而沼气对柴油燃料的替代抵消了能量转换率的降低，除此之外对发动机的性能没有明显的副作用。这种发动机在某些方面的长期使用是具有经济可行性的[24]。N. Tippayawong等人[25 26]对小型沼气-柴油双燃料动机作为发电机进行了研究。他们将一小型柴油机改装成沼气-柴油双燃料发动机，并与发电装置连接。2007年进行了2000h的耐久性试验，2010年进行了超过3500h的耐久性试验。燃烧90%的沼气，10%的柴油。实验证明沼气完全可以作为柴油的替代燃料，减少柴油消耗，并且发动机长时间工作稳定。小型沼气发动机作为发电机使用的潜力很大。Siripornakarachai S等人[27 28]将一台Hino K-13CTI涡轮增压柴油机改装成沼气发动机用于发电设备。加装沼气空气混合器，用火花点火系统代替燃油喷射系统，并把压缩比从原来的16:1减小到8:1，发动机转速固定在1500rpm，改装后的发动机输出功率为134.20KW，并且一氧化碳及氮氧化物的排放降低。

综上所述，沼气发动机可以由柴油机和汽油机进行简单的改装，加装沼气-空气混合装置。根据沼气的燃烧特性，使沼气发动机稳定高效的运转，还要对其性能参数进行适当的优化。沼气燃烧速度慢，致使燃烧持续期延长，后燃严重，排温高，燃烧效率低，是导致火花点火式沼气发动机可靠性和经济性差的根本原因。提高燃烧速度可以减轻后燃的严重状态，从而降低排气温度，改善发动机的

可靠性和经济性。湍流强度高的燃烧室可以有效的加快沼气的燃烧速度，另外，沼气的甲烷含量很高，抗爆性能较好，因此在兼顾其他影响因素后，应尽量提高沼气发动机的压缩比。增大点火能量对提高沼气燃烧速度，改善发动机性能也有明显的作用。国内沼气发动机主要用作发电机组和动力与供热混合系统装置。在城市垃圾污水处理厂，酒厂等沼气能源较充足的地方装配有较大型的沼气发电机，但是由于国内沼气发动机的性能不是非常完善，很多大型沼气发动机都是从国外进口。另外，我国农村沼气资源丰富，但资源很不集中，不能引进大型沼气发动机，因此近年来国内各研究单位正不断研究开发小型沼气发动机。小型沼气发动机改装方便，适合广大农村及偏远地区发电。目前国内很多厂家已经推出小型沼气发动机。大多数的小型沼气发动机只是在原柴油机或原汽油机的基础上加装沼气-空气混合装置，这使得发动机的性能很不稳定。如何在沼气发动机上利用先进的增压技术、快速燃烧系统、高能点火以及电控技术等，提高沼气发动机的可靠性、动力性、经济性和排放性是我们需要关注的重点。

3.2 沼气发动机的增压

发动机输出的机械功是由燃料在气缸中燃烧产生的热能转化而来的,输出功的大小取决于进入气缸内的燃料和空气数量,以及热能的有效利用程度。因此,要提高发动机的功率,就必须向气缸喷射更多的燃料,并使它充分燃烧,而要使燃料充分燃烧，就必须在增加燃料喷射量的同时增加进入气缸的空气量,保证合适的空燃比。增加进气量的有效方法之一是增加进气密度,进气压力升高和温度降低都可以使进气密度增加。目前广泛采用的是增加进气压力的方法。进气增加, 一般分为机械增压、废气涡轮增压及复合增压3种型式。由于废气涡轮增压是利用排气过程所排出废气的剩余能量来带动压气机,充分利用了排气能量。该方式不仅使发动机功率上升,而且燃料消耗率反而下降,提高了动力性, 改善了经济性,因而被广泛采用。

由于沼气发动机近年来才得到重视和研究应用，目前国内外专门介绍沼气发动机增压技术的参考文献几乎没有，但是进气系统带有节气门的汽油机和天然气发动机增压技术以及柴油发电机组增压技术对沼气发电机组增压具有很大程度的借鉴性。

土耳其Yildiz Technical 大学的Ugur Kesgin[29]使用BOOST软件研究了废气涡轮增压系统的参数对天然气发动机性能的影响，特别是排气歧管直径，涡轮出口管道直径，增压器效率，增压器位置，涡轮出口背压和压缩机前的压力损失等。Siripornakarachai S等人[27 28]将一台Hino K-13CTI涡轮增压柴油机改装成沼气发动机用于发电设备。加装沼气空气混合器，用火花点火系统代替燃油喷射系统，并把压缩比从原来的16:1减小到8:1，发动机转速固定在1500rpm，改装后的发动机输出功率为134.20KW，并且一氧化碳及氮氧化物的排放降低。国家燃气汽车工程技术研究中心的陈万应等人[30]就增压技术在CNG汽车上的应用进行了试验研究。他们选用了安装比较方便的涡轮增压机方案对发动机进行改装，实验表明：采用增压技术后，在发动机可以保持良好排放性能和燃料经济行的情况下，可以使发动机功率恢复到原汽油机的水平。北京理工大学的魏明山等人[31 32]就带有可变喷嘴的涡轮增压系统的天然气发动机进行了试验研究。他们在CA4G22E发动机的基础上开发出一台多点顺序喷射的天然气发动机。实验结果表明，采用增压中冷技术和可变喷嘴涡轮技术可以提高发动机的进气量，优化发动机在全工况范围内与增压器的匹配，大幅度提高了发动机的动力性和经济性。北京交通大学的孟金喆等人[33]对天然气增压发动机工作过程进行了模拟分析研究。北京交通大学的安存春等人[34]利用GT-POWER软件对电控CNG发动机建立了仿真模型，对发动机与增压器的匹配进行了仿真模拟。结果表明，发动机能够与增压器进行较好的匹配，但由于增压器采用了了放气阀压力调节装置，致使某些工况下发动机的效率降低。北京理工大学的郝利君等人[35]对电控可调涡轮增压天然气发动进行了开发。他们将一台CA488汽油机改装成电控可调涡轮增压天然气发动机。该发动机采用了多点燃气顺序喷射技术、电控高能电火技术、可调喷嘴涡轮增压技术及中冷技术。经过试验研究可知采用可调涡轮增压技术可提高发动机的进气量，优化增压器在全工况范围内与发动机的匹配，大幅度提高了发动机的动力性与经济性。增压后天然气发动机的最大功率与原汽油机相当，低速转矩特性明显，同时发动机使用经济性也得到提高。

综上所述，对于沼气发动机而言，合理的采取增压技术，配合高能电火、增压中冷等先进的技术，可以使发动机的动力性和经济行有很大的提高。目前国内对增压技术在沼气发动机上的应用研究还比较少，都是直接应用其他气体发动