沼气发动机文献综述

机。随着沼气发动机在国内的应用及发展，对沼气发动机应用增压技术的研究迫在眉睫。

3.3 沼气发动机的燃料供给系统

目前，对于气体发动机，国内外对CNG气发动机和LPG发动机的研究相对较多。普通的气体机一般是由现用的柴油机或汽油机改装而成。其中最关键的技术就是燃料供给系统和燃料调节系统。目前气体发动机的供气分为缸内供气和缸外供气，缸内供气主要是高压喷射阀供气，缸外供气可分为混合气供气和低压喷射阀供气。缸外进气道喷射分为进气总管单点喷射和进气歧管多点喷射两种。按照各缸的工作顺序向各个进气歧管喷射燃气。

进气道混合器预混合式分为机械混合器预混合式燃料控制系统和电控混合器预混合式燃料控制系统。

机械混合器预混合式燃料控制系统控制精度不高，动力性较差，排放难以达到国家法规要求。

电控混合器预混合式燃料控制系统，属于简单闭环控制，增加电子控制模块、氧传感器、燃料控制步进电机，对空燃比进行闭环控制。步进电机响应慢，并且存在丢步现象，难以满足发动机瞬态动力响应，排放控制的要求。但是结构简单，成本低，可适用于不同的气体燃料。

混合器根据原理的不同大体可分为两种，即文丘里管式(图5)和比例调节式(图6) [36]。文丘里管式混合器对于气体压力的要求比较严格，且在开机时不容易找到最佳混合比，起动性能较差，在突然加载时，由于燃气调节不能及时跟上负载的变化容易脱载。而大部分现有沼气发电机组功率不大，用户多采用直接带负载的方式，所用此种混合器存在着一定的弊端。但此种混合器的优点是可以适应不同的沼气浓度。比例调节式混合器阀芯由两个关联的节流阀芯组成，分别控制燃气和空气流通截面积。混合器工作时，膜片感应到进气管真空度的变化，带动阀芯上下移动，改变燃气和空气流通截面积，从而控制燃气和空气流量，实现控制混合器的空燃比。

图5：文丘里管混合器

图6：比例调节混合器

通常，控制燃气与空气的混合气流量有三种方法：1）时间控制法，即控制燃气流通截面不变，改变流通时间；2）控制截面积法，即流通时间不变，改变燃气流通截面积：3）压力控制法，通过改变压差以改变燃气流量[37]。

太原理工大学将压力控制法和截面积控制法结合起来，研制了煤层气发动机比例调节式混合器，由弹簧调节混合器内膜片的升程，带动一个连动阀，同时对燃气和空气流量进行调整[38]。胜利油田管理局研制的煤层气和沼气发动机电控混合器，采用了类似的结构，区别在于连动阀的机械驱动机构由ECU控制的执行器来替代[36 39~42]。胜利石油管理局动力机械厂分别对煤气机和沼气发动机进行了研究。他们开发研制了6105型沼气发电机组，采用电控混合器，计算机监控系统实时监控燃烧室内的燃烧情况，并将燃信号反馈到ECU控制单元，ECU发出指令，使电控混合气的执行器带动操纵机构，改变沼气与空气的进气流道面积，

根据沼气中甲烷的变化合理匹配空气和沼气的流量，达到实时调节空燃比的目的，实现稳定的稀薄燃烧，有效的发动机的控制热负荷；另外，他们针对煤层气甲烷成分变化自行研发了一种混合器来控制空燃比，发动机自动实时监控燃烧状况，由中央控制单元发出指令，执行器动作改变空气与瓦斯通道面积，达到调节空燃比的目。通过电子控制系统监测发动机燃烧状况，实时自动调节发动机空燃比在理想状态。这种结构形式的混合器虽然可以调节混合气的混合比，但只能按照固定的比例进行调节。为此，合肥工业大学滕勤提出了一种新的电控双阀式气体燃料混合器方案。采用文丘里管式混合器，在混合器之前的燃气和空气的通路中均加装由ECU控制的控制阀，从而大大提高了空燃比控制的自由度和灵活性。进气系统示意图如图7所示[43]。上海交通大学的樊俊杰对60KW生物质内燃机发电机组的控制系统设计进行了研究。基于文丘里管式混合器开发设计了一种类似的电控混合器。该电控混合器的控制原理如图8所示[44]。

图7：电控煤层气发动机系统示意图

图8：电控混合器控制原理

国外对沼气发动机的研究相对比较多。就气体发动机的进气系统而言，国外已经经过电控混合，电控单点喷射，电控多点喷射，缸内直喷。目前，在CNG发动机上缸内直喷应用已经比较成熟。但对于沼气发动机而言，由于其甲烷含量比较低，并且成分变化比较大，应用较多的还是机械混合和电控混合。

Viktória Barbara Kovács 等人[45]对沼气在内燃机上的应用进行了研究。他们将沼气与液体燃料以及天然气在内燃机上的燃烧进行了对比，由于沼气中含有二氧化碳等抑制燃烧的气体，导致沼气的热值比较低，这使得沼气在气体燃料发动机上的应用受到限制。尽管现在燃料仍然依赖化石燃料，但是采取先进的混合技术可以使沼气成为很好的替代燃料。Iván Darío Bedoya等人[46]研究了混合系统以及不同引燃燃料对沼气-柴油双燃料发动机性能的影响。他们采用了一种高压混合器，以沼气作为主要燃料，生物柴油作为引燃油，在一台柴油发电机上进行了实验。和原机对比，使用沼气以及生物柴油作为引燃油完全可以替代柴油，并且热效率明显提高，一氧化碳排放也明显降低。Phan Minh Duc等人[47]研制了一种沼气预混控制双燃料发动机。并对发动机进行了测试。Kokubu K等人[48]为气体发动机发电装置开发了一种沼气-天然气混合系统。日本已经研发出结构紧凑高效的热电联产系统，Kokubu K等人在此基础上开发出了简单且合理控制沼气-天然气混合装置，该装置可以在0%-100%范围内调节沼气与天然气的比例。目前这种混合器已经应用于东京的一家啤酒厂，效果良好。