低热值燃气-柴油双燃料发动机动力性能计算

第３９卷第６期２０１０年１２月

小型内燃机与摩托车

ＳＭＡＬＬＩＮＴＥＲＮＡＬＣＯＭＢＵＳＴＩＯＮＥＮＧＩＮＥＡＮＤＭＯＴＯＲＣＹＣＬＥ

Ｖ０１．３９Ｎｏ．６Ｄｅｃ．２０１０

・设计・计算・

低热值燃气一柴油双燃料发动机动力性能计算

夏基胜

（江苏江淮动力股份有限公司

江苏盐城２２４００１）

摘要：推导了低热值燃气一柴油双燃料发动机动力性能计算公式，并对由单缸、四冲程、水冷、直喷式柴油机改装的生物制气一柴油双燃料发动机的动力性能进行了计算分析。结果表明：双燃料发动机能够达到原柴油机的动力水平；其动力性能随引燃油量的减小而降低；在新鲜空气充足的前提下，供给更多的燃气，双燃料发动机的动力性能增强；燃气替代率有一最大值，超过该值后，随替代率增大，动力性能急剧下降；燃气低热值越高，替代率便可越大。计算得出的生物制气一柴油双燃料发动机在标定点和最大转矩点的最大生物制气替代率和对应的燃气进气比，与试验结果相吻合。关键词：双燃料发动机动力性能低热值燃气生物制气中图分类号：ＴＫ４６４

文献标识码：Ａ

文章编号：１６７１—０６３０（２０１０）０６—００４８—０４

Ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ

ｏｎ

ＰｏｗｅｒＰｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆＬｏｗＣａｌｏｒｉｆｉｃＶａｌｕｅ

ＣｏｍｂｕｓｔｉｂｌｅＧａｓ－ＤｉｅｓｅｌＤｕａｌ—ｆｕｅｌＥｎｇｉｎｅ

ＸｉａＪｉｓｈｅｎｇ

ＪｉａｎｇｓｕＪｉａｎｇｈｕａｉＥｎｇｉｎｅＣｏ．，Ｌｔｄ．（Ｙａｎｃｈｅｎｇ，Ｊｉａｎｇｓｕ，２２４００１，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｐｏｗｅｒｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆｌｏｗｃａｌｏｒｉｆｉｃｖａｌｕｅｃｏｍｂｕｓｔｉｂｌｅｇａｓｄｉｅｓｅｌｄｕａｌ－ｆｕｅｌｅｎｇｉｎｅｉｓｄｅｄｕｃｔｅｄ．Ｔｈｅｐｏｗｅｒｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆｂｉｏｇａｓｄｉｅｓｅｌｄｕａｌ—ｆｕｅｌｅｎｇｉｎｅｔｈａｔｉｓｍｏｄｉｆｉｅｄｆｒｏｍｗａｔｅｒ－ｃｏｏｌｅｄ，ｄｉｒｅｃｔ

ｃａｎ

ａ

ｓｉｎｇｌｅｃｙｌｉｎｄｅｒ，ｆｏｕｒ—ｓｔｒｏｋｅ，ｓｈｏｗｔｈａｔｄｕａｌ—ｆｕｅｌ

ｉｎｊｅｃｔｉｏｎｄｉｅｓｅｌｅｎｇｉｎｅｉｓｃａｌｃｕｌａｔｅｄａｎｄａｎａｌｙｚｅｄ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｅｎｇｉｎｅ

ｇａｉｎｔｈｅｓａｍｅｐｏｗｅｒａｆｔ，ｄｉｅｓｅｌｅｎｇｉｎｅ．Ｔｈｅｐｏｗｅｒｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｄｅｃｒｅａｓｅｓｗｉｔｈｔｈｅｄｅｃｒｅａｓｅｏｆｐｉｌｏｔｆｕｅｌ

ｑｕａｎｔｉｔｙ，ｉｎｃｒｅａｓｅｓｗｉｔｈｔｈｅｉｎｃｒｅａｓｅｏｆｃｏｍｂｕｓｔｉｂｌｅｇａｓｃｈａｒｇｅａｔｔｈｅｐｒｅｃｏｎｄｉｔｉｏｎｏｆｔｈａｔｆｒｅｓｈａｉｒｉｓｅｎｏｕｇｈｆｏｒｆｕｅｌ

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ｃａｌｏｒｉｆｉｃｖａｌｕｅ

ｃｏｍｂｕｓｔｉｂｌｅ

ｇａｓ，Ｂｉｏｇａｓ

引言

以柴油引燃的燃气一柴油双燃料发动机中，可燃气体在进气冲程与空气一起经进气管进入气缸，由于燃气占有一定体积，会使得进气过程中进入气缸的空气量减少，燃气的替代率越大，进入气缸的燃气越多，

空气量就越少，空燃比也会随之减小。若可燃气体的热值较低，采用较大的替代率，则双燃料发动机的新鲜空气量不足，燃料不能充分燃烧，从而导致发动机的动力性、经济性下降。

生物制气是一种可再生的绿色能源，以其作为发

作者简介：夏基胜（１９６０一），男，研究员级高级工程师，主要研究方向为发动机总体设计及工作过程研究。

万方数据

第６期夏基胜：低热值燃气一柴油双燃料发动机动力性能计算

４９

动机的代用燃料，可充分利用农林废弃生物质，缓解石化能源危机Ｈ以Ｊ，同时可减少大气中二氧化碳的积累，缓解温室效应，利用前景很大”４Ｊ。但其热值较低，约为（４０００～５５００）ｋＪ・ｋｇ～，替代率过大会影响发动机的动力性和经济性。本研究根据燃料完全燃烧所能释

放的能量为标准来定义燃气的替代率，并对改装后的

双燃料发动机的动力性能进行核算并与试验结果对比分析，验证改装后的双燃料发动机在理论上能否达到柴油机的功率水平；确定在各工况下合理的燃气替代率。

１燃气各参数的计算

１．１燃气的相对分子质量

燃气的相对分子质量在数值上等于其摩尔质量Ｍ，。

蜂＝∑ＹｉＭ舀

ｉ＝ｌ

式中：肘鲋为燃气中各气体的摩尔质量（ｋｇ／ｋｍ０１）；

Ｙｉ为燃气中各气体的体积成分，∑Ｙｊ＝ｌ。

ｉ＝ｌ

１．２

燃气的理论空燃比

燃气的理论空燃比Ｌ。即：空气质量（ｋｇ）／燃气质

量（ｋｇ）：４

ｔ＝∑ｋ菇

（２）

ｉ＝Ｉ

’式中：Ｌｉ为燃气中各气体的理论空燃比，空气质量（ｋｇ）／气体质量（ｋｇ），对于燃气中的不可燃气体，其对应的空燃比按０计算；戈ｉ为燃气中各气体的质量成

分，∑ｚ；＝１。

茗ｉ可采用下式计算：

Ｘｉ：＿；！垫Ｌ２—ｉ——一

（３）

ＬｊＪ

（∑Ｍ耐Ｙｉ）

１．３

燃气的密度

Ｐ；＝∑ｐ画Ｙ

（４）

ｉ＝１

式中：ｐ。为燃气的密度（ｋｇ／ｍ３）；ｐ抖为燃气中各气

体的密度（ｋｇ／ｍ３）。１．４燃气的气体常数

尺。＝ｉ二＝＿

（５）

荟‘卺）

式中：尺。为燃气的气体常数（Ｊ／（ｋｇ・Ｋ））；Ｒ面为燃气中各气体的气体常数（∥（船・Ｋ））。

万方数据

１．５燃气的低热值

Ｈ。。＝∑戈ｉＨ。画

（６）

ｉ＝１

式中：日。。为燃气的低热值（ｋＪ／ｋｇ）；Ｈ。。为燃气中各气体的低热值（ｋＪ／ｋｇ），不可燃气体的低热值按０计算。２

双燃料发动机动力性能计算

２．１

引燃油比例

引燃油比例为双燃料发动机柴油每循环喷油量与

柴油机在该工况时每循环喷油量的比值，用ｚ，表示：

（７）

式中：ｍ，为双燃料发动机每循环引燃油量（ｋｇ）；ｇ。为柴油机每循环喷油量（ｋｇ）；ｍｆ，ｇｂ可由下式计算：

ｇｂ：黑２瓦丽（８）Ｌ６’２赢

丹，下

ｍｒ

（９）

式中：曰为柴油机每小时耗油量（ｋｇ／ｈ）；Ｂ，为双燃料发动机每小时引燃油消耗量（ｋｇ／ｈ）；丁为冲程数，本文中的发动机为四冲程，丁＝４；ｎ为发动机转速ｒ・ｍｉｎ～；ｉ为气缸数，本文中的发动机为单缸机，ｉ

＝１。

２．２燃气替代率

燃气替代率是指每循环供给的燃气理论放热量与柴油机每循环供给纯柴油的理论放热量的比值，用菇，表示：

Ｘｓ：—ｍ百ｇ／－／ｕｇ（１０）

、

一ｇｂ日。

式中：ｒｎ。为双燃料发动机每循环供给的燃气质量（ｋｇ）；日。为柴油的低热值（ｋｇ／ｋＪ）。

２．３双燃料发动机总过量空气系数

实际进入气缸的空气质量与引燃柴油和燃气完全燃烧理论所需的空气质量的比值定义为双燃料发动机

的总过量空气系数，用咖。。表示：

＜ｂａｔ

２习丽ｍａ（１１）

式中：ｍ。为双燃料发动机每循环进入气缸的空气质量（ｋｇ）；￡。为柴油的理论空燃比。

２．４平均有效压力

由柴油机改装成双燃料发动机时，对柴油机配气正时和压缩比均未作改变，认为在相同工况下柴油机与双燃料发动机的热效率变化不大，因此通过柴油机的试验数据计算出各工况的热效率，并以此作为双燃

小型

内

燃机

与摩托车

第３９卷

料发动机在此工况下的热效率，来计算双燃料发动机计算，ｇ。可由式８计算，ｍ。可联立下式计算：

的平均有效压力，即：

ｐ矿警

（１２）

式中：Ｐｍｅｇ为双燃料发动机平均有效压力（ＭＰａ）；Ｑ。为双燃料发动机每循环消耗燃料所释放的热量（１【Ｊ），Ｋ为单缸工作容积（Ｌ）；’７。。为双燃料发动机有

效热效率。

对于双燃料发动机，要保证进入气缸的引燃柴油

和燃气充分燃烧，必须要有充足的新鲜空气，实测标定

工况燃料充分燃烧所需的最低的总过量空气系数咖。为１．１，若燃料充分燃烧，Ｑ。为每循环供给引燃柴油和燃气低热值之和；当总过量空气系数小于１．１时，燃料不能完全燃烧，燃烧释放的热量以燃料按总过量空气系数１．１的比例完全消耗新鲜空气所能释放的热量来计算。

ＩＱｇ＝ｍｆ日。＋ｍｇ日。ｇ咖ａｔ≥１．１

ｉＱｇ（ｍｆＨ。＋ｍ，Ｈ．ｇ）．鲁纠．１。３’

ｐ螂。丽

则双燃料发动机理论计算的平均有效压力为：

‰：掣筹

（１４）ｏＨ’

２．５双燃料发动机动力性变化率

由柴油机改装的双燃料发动机，其转速与原柴油机相同，因此其功率变化取决于其平均有效压力的变化，定义双燃料发动机动力性变化率为彳：

彳：Ｐ—ｍ—ｅｇ

（１５）

Ｐｍｅ

ｚ值越大，说明双燃料发动机动力性能越好。

彳：警

・一ｎ

（１６）

、１”／

因改装后的双燃料发动机热效率与柴油机相差不大，双燃料发动机动力性变化率为双燃料发动机燃烧放热量与同工况时柴油机燃烧放热量的比值：

ｚ＝鲁

（１７）

２．５．１按引燃油比例计算

按定义的引燃油比例，计算在不同引燃油量的条件下，供给不同的生物制气量，但保证有充足的新鲜空气，也就是总过量空气系数咖。。不小于１．１时，核算双燃料发动机的动力性变化率，公式应为：

ｚ：掣

ｇｂ矾

（１８）Ｐ…

式中：日。为已知，日。可由式６计算，ｍ，可由式７

万方数据

ｍｇ２ＰｇＶｓ

ｍ。＝ｐ。Ｋ

Ｋ＋Ｋ＝‰弧＝１丽ｕ”

…，Ｅ叼。

型１０４０。０９田”ＰｓｍｆＬ～ｏｃ九ｔ（１９）

咖ａｔ

２可ｉ瓦豺・１

式中：ｐ。为进气状态下空气的密度（ｋｇ／ｍ３）；圪为进入每气缸的空气的体积（ｎ１３）；以为进气状态下燃气的密度（ｋｓ／ｍ３）；Ｋ为进入每气缸的燃气的体积（ｍ３）；Ｅ为单缸工作容积（￡）。

将式１９代入式１８后可得：

一“一ｚ＝名，＋！旦三１１

０蔓０墨０Ｌ。。咖。。＋ｐ。）ｇｂ。

（二ｐ｝三Ｌ曼罢ｉｆ糌Ｈ

（２。）怕”７

式中：茗，和咖。。是自变量。

为便于对燃气和空气的进气量进行控制，定义燃气进气比为Ｒ。：

ｙ

Ｒｐ＝萨

％＝毋妄糕（２２，

（２１）

由式１９可推导出：

“８８一（ｐｇＫ叼。ＬＥ＋１０００ｚ，ｇｂ三ｏ）咖ａｌ

７

按定义的燃气替代率，并假定在各工况下，双燃料与柴油机每循环纯柴油释放的热量相同，即满足式：

ｇｂＨ。＝ｍｆＨ。＋ｍｇＨ。ｇ

（２３）

计算不同替代率时双燃料发动机的动力性变化率

的公式应为：

ｒ

：＝１

咖。。≥１．１

ｂ×黯删．・

＠４’

由式２４可见，关键在于计算总过量空气系数咖。。：

ｆ。一ｍｓＨｕｓ卜匕＝怒她＝≤搿耘端

ｌ‰一ｇｂＨ。

ｍ。＝ｐ。以

Ｉ

ｍ

ｈ２可ｉ瓦（２５’

Ｒ式中：算。是自变量，由式２５可以推出：

‘‘韶

韶＝丽莉ｌＯ＿０ｘ，嘶ｇｈＨｕＰ

ｇＫ叼。。ｇ一

Ｈ

１０００ｘ…ｋｚ．，ｕ）

７

。ｂ。

ｇＨ

２．５．２按燃气替代率计算

发动机每循环引燃油量和供给的生物制气的放热总量

第６期

夏基胜：低热值燃气一柴油双燃料发动机动力性能计算

５１

３双燃料发动机动力性变化分析

３．１按引燃油比例分析

生物制气一柴油双燃料发动机由水冷、单缸、四冲程、直喷式ＺＨｌｌｌ５型柴油机改装而成，既可以双燃料运行，也可以纯柴油运行。

图１是标定点在不同引燃油比例和不同总过量空气系数下双燃料发动机相对于柴油机的动力性变化率，图２为对应的燃气进气比。计算中采用由机刨花为原料获得的生物制气的特性，测得样气的体积成分：Ｃ０２为１１．２５％；ＣＯ为２１．５５％；Ｈ２为

１

１．３％；ＣＨ４为４．０６％；Ｎ２为５１．８４％，低热值为

４５６７．８ｋＪ／ｋｇ。

由图１、图２可以看出：双燃料发动机的动力性

能随引燃油量的减小而降低；在保证有燃料燃烧所需足够的新鲜空气的前提下，总过量空气系数减小，即供给更多的生物制气，双燃料发动机的动力性能增强。双燃料发动机能够取得与柴油机相当的动力性能。

铸篁制掣长擦

引燃油比例

图ｌ标定点双燃料发动机动力性变化率（ｎ＝２２００ｒ・ｒａｉｎ～，Ｐ。＝Ｏ．６７ＭＰａ）

Ｏ０

丑Ｏ旷划Ｏ旷Ｏ器ＯＳ划Ｏ

０

引燃油比例

图２标定点双燃料发动机燃气进气比（，ｌ＝２２００ｒ・ｍｉｎ～，Ｐ。。＝０．６７ＭＰａ）

３．２按生物制气替代率分析

图３为标定点和最大转矩点生物制气替代率对双

燃料发动机动力性的影响及与试验结果对比。从图中可以看出，要保持与柴油机相当的动力性，生物制气替

万方数据

代率有一最大值，超过该值后，随替代率增大，双燃料发动机动力性能急剧下降。试验中，标定点和最大转矩点满足柴油机动力性时，生物制气最大替代率分别为４７．５％和６１％，与计算结果吻合。

褥篁制掣长幅

１罗福强，梁昱，汤东，等。生物制气一柴油双燃料发动机放

热规律试验研究［Ｊ］．内燃机学报，２００５，２３（４）：３４８—３５１

２

Ｈｏｈｅｎｗａｒｔｅｒ，Ｕｌｒｉｃｈ．Ｅｎｅｒｇｙ—ｒｅｌａｔｅｄａｎｄＥｃｏｌｏｇｉｃａｌＥｖａｌｕａ—ｔｉｏｎｏｆｔｈｅＶａｒｉｏｕｓＵｓｅｏｆＢｉｏｇａｓｆｏｒＧｅｎｅｒａｔｉｏｎｏｆＰｏｗｅｒａｎｄ

Ｈｅａｔ［Ｒ］．Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ

Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ

ＧＲＡＺ，Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆ

Ｈｅａｔ

Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ａｕｓｔｒｉａ，１９９９３

ＧｒｏｓｓＲ，ＬｅａｃｈＭ，Ｂａｕｅｎ

Ａ．Ｐｒｏｇｒｅｓｓｉｎｒｅｎｅｗａｂｌｅ

ｅｎｅｒｇｙ

『Ｊ１．ＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ，２００３，２９（１）：１０５—１２２

４

国家经贸委资源节约与综合利用司．２０００—２０１５年新能源和可再生能源产业发展规划要点［Ｒ］．２００２

５周龙保，刘巽俊，高宗英．内燃机学［Ｍ］．北京：机械工业

出版社，１９９９

６罗福强，梁昱，窄长学，等．生物制气一柴油双燃料发动机

ＮＯ。计算模型［Ｊ］．内燃机学报，２００６，２４（２）：１４１～１４５

（收稿日期：２０１０—０７—１０）

低热值燃气-柴油双燃料发动机动力性能计算

作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：

夏基胜， Xia Jisheng

江苏江淮动力股份有限公司,江苏,盐城,224001小型内燃机与摩托车

SMALL INTERNAL COMBUSTION ENGINE AND MOTORCYCLE2010,39(6)

参考文献(6条)

1.罗福强;梁昱;汤东 生物制气-柴油双燃料发动机放热规律试验研究[期刊论文]-内燃机学报 2005(04)2.Hohenwarter,Ulrich Energy related and Ecological Evaluation of the Various Use of Biogas forGeneration of Power and Heat 1999

3.Gross R;Leach M;Bauen A Progress in renewable energy[外文期刊] 2003(01)

4.国家经贸委资源节约与综合利用司 2000-2015年新能源和可再生能源产业发展规划要点 20025.周龙保;刘巽俊;高宗英 内燃机学 1999

6.罗福强;梁昱;窄长学 生物制气-柴油双燃料发动机NOx计算模型[期刊论文]-内燃机学报 2006(02)

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2. 张学镭.朱娜.ZHANG Xue-lei.ZHU Na PG6541B燃气轮机燃用煤基合成气的性能及分析[期刊论文]-汽轮机技术2010,52(5)

3. 张园锁.侯玉柱.李扬.翁一武.苏适.ZHANG Yuan-suo.HOU Yu-zhu.LI Yang.WENG Yi-wu.SU Shi 超低热值燃气微型燃气轮机试验研究[期刊论文]-燃气轮机技术2008,22(1)

4. 蒋绍坚.张灿.匡中付.林竹.蒋受宝 生物质高温气化实验研究[会议论文]-2006

5. 凌云.程惠尔.李明辉 燃气发动机驱动热泵一次能源利用系数的计算和分析[期刊论文]-暖通空调2002,32(6)6. 刘永艳.王述洋.LIU Yong-yan.WANG Shu-yang 生物质燃气燃烧装置的探讨[期刊论文]-林业机械与木工设备2007,35(1)

7. 郭建兰.杜少俊.GUO Jian-lan.DU Shao-jun 低热值气体燃料的燃烧特性分析[期刊论文]-太原理工大学学报2009,40(3)

8. 刘建禹.冯江.朱伟.LIU Jian-yu.FENG Jiang.ZHU Wei 户用秸秆燃气采暖锅炉的设计与试验[期刊论文]-可再生能源2008,26(5)

9. 郭建忠.侯昭胤.郑小明.GUO Jianzhong.HOU Zhaoyin.ZHENG Xiaoming 流化床中CH4/C3H8自热重整制合成气[期刊论文]-催化学报2010,31(9)

10. 蒋绍坚.蒋受宝.艾元方.赵颖 高温空气气化数学模型研究[会议论文]-2007

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